Читать книгу "Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса"

К счастью, этот мрачный сценарий не соответствует действительности. Около 3,8 миллиарда лет назад биологическая организация возникла по крайней мере на одной планете, и вместо того, чтобы становиться все более неупорядоченной и однообразной, поверхность Земли, напротив, делалась все более упорядоченной, сложной и функциональной. То же самое, почти по любым меркам, происходило и с космосом в целом. В дополнение к звездному, планетарному, биологическому и экологическому порядку разумная жизнь создала культурный и технологический порядок в виде зданий, машин, городов, экономик и информационных сетей – причем все это множится и усложняется без признаков замедления. Очевидно, что эти расширяющиеся структуры являются чем-то бо`льшим, чем просто результатом временных статистических флуктуаций.

Итак, чем объяснить этот очевидный парадокс? Как может организация сохраняться и нарастать, если все более неупорядоченное состояние системы гораздо более вероятно? Урок, который нам следует запомнить, заключается в том, что статистическая версия второго закона Больцмана (согласно которой конфигурационная неупорядоченность должна нарастать) применима только к изолированным системам. Для таких систем инертное состояние чистого молекулярного хаоса неизбежно, как и структурный распад, потому что поддержание организации представляет собой физическую работу, а эта непрерывная работа требует энергии. Однако системы, не изолированные от внешних потоков энергии, то есть открытые системы, не обязаны подчиняться статистическим правилам Больцмана.

Такие системы открыты для потоков энергии, поступающих из окружающей среды и способных поддерживать их в состоянии низкой энтропии, далеком от термодинамического равновесия. Физики называют эти открытые системы неравновесными системами, и если они достаточно далеки от равновесия, их описывают как системы, далекие от [состояния термодинамического. – Прим. науч. ред.] равновесия. Пока потоки энергии поступают или могут каким-то образом извлекаться из окружающей среды, система может противостоять естественному движению в сторону случайности и структурного распада.

Примером открытой системы, далекой от равновесия, является планета Земля, постоянно получающая энергию от излучения, производимого Солнцем. Самыми интересными открытыми системами, наиболее далекими от ужасно скучного состояния равновесия, являются биологические системы, которые мы называем организмами.

Долгое время после Больцмана физики считали, что живые организмы слишком сложны для термодинамического описания, и это было главной причиной того, почему возникновение жизни так долго оставалось покрыто завесой тайны. Однако трудные задачи вдохновляют ученых на то, чтобы выдвигать великие идеи. Австрийско-ирландский физик Эрвин Шрёдингер, заложивший большинство основ квантовой теории, одним из первых попытался понять запутанную термодинамику далеких от равновесия систем, составляющих биосферу.

В своей знаковой книге 1944 года «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки» Шрёдингер отмечает, что вместо сползания к термодинамическому равновесию, которое для жизни означает смерть и хаос, биологические организмы поддерживают свое живое состояние, потребляя и метаболизируя энергию из окружающей среды. Без постоянного поступления энергии извне наступает равновесие, и жизнь погибает. Однако, получая энергию в той или иной форме и усваивая ее, упорядоченные системы могут оставаться организованными, не нарушая второго закона термодинамики.

Например, растения остаются живыми и избегают распада, поглощая высокоэнергетический (низкоэнтропийный) солнечный свет, который рассеивается и возвращается в окружающую среду в виде низкоэнергетического (высокоэнтропийного) инфракрасного излучения. Некоторые животные поедают растения, накопившие внутри себя часть этой солнечной энергии в виде сахаров и других съедобных соединений. А другие животные поедают тех животных, которые едят растения. Энергия, запасенная в молекулярных связях различных видов пищи, служит «химическим топливом» для обеспечения всей нашей клеточной деятельности, а также наших мыслей и действий. Почти вся свободная энергия, используемая в настоящее время для поддержания жизни, изначально поступила от Солнца, хотя некоторые организмы питаются минералами в горных породах или тепловой энергией, генерируемой ядром и мантией Земли. Поскольку биологические системы потребляют свободную энергию, чтобы оставаться далеко от равновесия, они одновременно рассеивают ее, в основном в виде тепла, производя тепловую энтропию и выводя ее в окружающую среду.

Непрерывный рост биологической и технологической организации и сложности не нарушает второго закона термодинамики на уровне Вселенной, потому что локальное уменьшение конфигурационной энтропии компенсируется одновременным увеличением тепловой энтропии, вызванным постоянным преобразованием свободной энергии жизни в тепло. Другими словами, ростом энергетической неупорядоченности (проявляющейся как выделение тепла) на микроуровне оплачивается создание и поддержание структурного и функционального порядка на макроуровне. До тех пор пока свободная энергия продолжает использоваться и рассеиваться, общее количество энтропии во Вселенной нарастает, а второй закон не нарушается.

Это означает, что Вселенная может становиться все более организованной в космическом масштабе до тех пор, пока жизнь способна находить свободную энергию, необходимую ей для построения и поддержания этого порядка. К счастью для жизни, Вселенная предлагает безбрежный океан полезной энергии всем существам, которые достаточно разумны, чтобы знать, как ее извлекать. Различные источники энергии от солнечного света, ядерного деления, а вскоре и термоядерного синтеза заменят вредное для окружающей среды ископаемое топливо и будут доступны в изобилии. Кроме того, из знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc ² мы знаем, что каждая частичка материи во Вселенной может быть преобразована в полезную энергию, равную массе вещества, умноженной на квадрат скорости света.

Зная об этом факте, легко представить, что Вселенная становится все более структурированной и функциональной по мере того, как сверхразумная цивилизация распространяется по космосу с головокружительной скоростью, преобразуя всю энергию и материю в своей среде в экзотические формы биологических и вычислительных систем. Но как долго это может продолжаться? Это поистине экзистенциальный вопрос на миллион долларов. Плодовитый писатель-фантаст Айзек Азимов назвал это «Последним вопросом» в получившем признание критиков рассказе о судьбе жизни во Вселенной. Реальную версию этой драматической истории (великая космическая битва между жизнью и энтропией, порядком и хаосом) оставим до третьей части. Пока же ограничусь лишь небольшим спойлером: мне кажется, Азимова бы приятно удивил вероятный исход Вселенной, для понимания которого у него еще не было концептуальных инструментов в 1956 году, когда он писал свой фантастический рассказ.

Концепции, рассмотренные в этой главе, легли в основу нового космического нарратива, послужившего фундаментом этой книги. Возможно, потребуется некоторое время, чтобы они стали интуитивно понятны, но по мере развертывания нашего повествования их значение будет становиться все очевиднее. Мы объяснили, как процветает жизнь и почему ни ее существование, ни ее расширение не нарушают второго закона термодинамики. Биологическая жизнь уменьшает конфигурационную энтропию и структурную неупорядоченность за счет увеличения тепловой энтропии и энергетической неупорядоченности. Однако кое-что еще не объяснено, и Шрёдингер не дал ответа на вопрос, как или почему из случайного молекулярного хаоса вообще возникают биологические системы.

Как это ни удивительно, новые исследования показывают, что жизнь не только подчиняется второму закону термодинамики, но и возникает благодаря ему. В следующей главе нашего космического путешествия объясняется, как в результате действия сил энтропии природа создает биологические механизмы. В чем же тогда термодинамическая цель биологии? Открыть новые каналы для потока планетарной энергии ради более эффективной диссипации градиентов и достижения термодинамической стабильности.

3
К разгадке тайны жизни

Готовясь продолжить наше путешествие, давайте быстро повторим, что представляет собой новый предлагаемый космический нарратив, в рамках которого постулируется самоорганизующийся космос. По мере того как Вселенная эволюционирует во времени, она стремится ко все более упорядоченному, сложному и функциональному состоянию. Этот процесс развития космоса обеспечивает возникновение и эволюцию жизни, что в свою очередь позволяет самому процессу продолжаться бесконечно или до тех пор, пока не будут достигнуты максимальная сложность и вычислительная способность. Задача этой книги – объяснить, как и почему это происходит в силу физической и логической необходимости.

Этот вариант космической эволюции на первый взгляд кажется невозможным или по меньшей мере маловероятным, ведь второй закон термодинамики гласит, что общее количество энтропии во Вселенной неизменно нарастает с течением времени. Однако, как мы узнали в предыдущей главе, есть разные формы энтропии, поэтому Вселенная может становиться более упорядоченной, если в ходе этого процесса свободная энергия преобразуется в отработанное тепло. Если конкретнее, конфигурационная энтропия («неупорядоченность») может уменьшаться и локально сдерживаться жизнью до тех пор, пока тепловая энтропия непрерывно производится и выводится вовне.

Шрёдингер одним из первых популярно объяснил, что именно этим жизнь на Земле и занимается, ведь биология в основе своей является термодинамическим явлением. Живые организмы – как открытые системы, обменивающиеся энергией и веществом со средой, – могут избежать тенденции к неупорядоченности и термодинамическому равновесию (то есть к гибели и распаду), извлекая свободную энергию отовсюду вокруг себя. Растениям источником энергии служит солнечный свет. Животным – пища, например растения или другие животные.

Хотя Шрёдингер показал, почему жизнь не нарушает второй закон термодинамики, он не пытался объяснить, как она возникла, как далеко она может распространиться или какова вероятность того, что подобное событие произойдет в другом месте Вселенной. Несмотря на прогресс, достигнутый в понимании термодинамической природы биологических систем в первой половине двадцатого века, происхождение жизни оставалось загадкой, и вдохновленная Больцманом логика увековечила предположение о том, что абиогенез был случайным явлением с очень малой вероятностью повторения где-либо еще.

Такое представление о крайней маловероятности возникновения жизни привело к ряду сомнительных философских выводов. Оно поддерживало веру креационистов в то, что существование жизни доказывает божественное вмешательство, а секуляристов привело к убеждению, что биология является просто своего рода космическим сбоем: маленьким и недолговечным очагом порядка в неумолимо враждебной и безжизненной Вселенной. Согласно стандартному секулярному научному взгляду (он же редукционистское мировоззрение), не было причин считать, что жизнь переживет Солнце, которое ее питает, и тем более не было причин полагать, что она когда-нибудь обретет способность влиять на крупномасштабную эволюцию космоса.

Однако в 1960-х годах получил известность выдающийся бельгийский биохимик с иным взглядом на космос. Илья Пригожин не считал, что мы живем в мире, который становится все более дезорганизованным и разрушающимся. По его мнению, мы обитаем во Вселенной, которая далека от термодинамического равновесия и имеет огромное множество источников энергии и градиентов, которые заставляют энергию поступать в бесчисленные открытые системы и выходить из них. В ответ на этот входящий поток естественно и предсказуемо возникают закономерности, порядок и функциональность. Природа не только не разрушительна, но и по самой своей сути потрясающе созидательна.

Хотите увидеть пример естественного и спонтанного порядка? Просто наполните ванну водой, а затем выньте пробку. Над сливом обязательно сразу же возникнет водоворот. Молекулы воды в нем перемещаются не случайным образом, как молекулы идеального газа в контейнере, описанном Больцманом. Вместо того чтобы вести себя совершенно хаотично, они движутся согласованно и образуют упорядоченную динамическую структуру, которая устойчива, стабильна и элегантна. Такого рода структуры широко распространены в природе – от водоворотов над провалами в озерах, до циклонов, порождаемых ураганами и торнадо. Чаще всего такие образования недолговечны, но не обязательно. Водоворот над сливом в ванне не исчезнет до тех пор, пока в ванну поступает достаточно воды, а знаменитое Большое красное пятно на Юпитере – это гигантский атмосферный вихрь, который кружит уже сотни лет.

Наблюдая за частым возникновением и сохранением динамического порядка в мире природы, Пригожин понял, что классическую теорию термодинамики нужно радикально расширить. Уравнения статистической механики Больцмана верны только для изолированных систем, находящихся в равновесии или около него. При равновесии нет ничего, кроме случайного движения и всеобщей стагнации. Однако системы, далекие от равновесия (которые здесь, на Земле, являются скорее правилом, нежели исключением), ведут себя совершенно по-другому и, следовательно, требуют иных математических моделей и основополагающих принципов. Шрёдингер говорил, что понимание поведения жизни откроет «новые законы физики», которые в свою очередь решительно изменят наше отношение ко второму закону термодинамики.

Второй закон одинаково важен как в состоянии равновесия, так и в условиях, далеких от него, но, как мы увидим, в последнем случае его последствия противоположны. Вместо распада, наоборот, возникает и сохраняется порядок. Это связано с тесной связью между производством энтропии и спонтанным формированием паттернов, которое, по признанию Пригожина, имеет огромное значение. Структуры, подобные циклонам и водоворотам, образуются не вопреки тенденции Вселенной к нарастанию энтропии – они формируются вследствие нее.

Напомним из предыдущей главы, что второй закон является выражением нетерпимости природы к градиентам. Именно по этой причине тепло самопроизвольно перетекает из более горячего места в более холодное до тех пор, пока разница температур, или тепловой градиент, не будет устранена. При достаточно большой разнице в температуре, давлении, химической концентрации или заряде между системой и ее окружением поток будет возникать самопроизвольно до тех пор, пока разница не уменьшится и не будет достигнуто равновесие. Этот уравновешивающий поток рассеивает энергетические градиенты, производя энтропию – энергию, которую уже невозможно использовать.

И тут мы подходим к очень любопытному моменту. Поскольку природа не терпит градиентов, то усилие, затрачиваемое для их уменьшения, пропорционально величине градиента. Если градиент достаточно велик, а свободной энергии достаточно, то спонтанно возникает циклическая структура, позволяющая градиенту рассеиваться более эффективно. Поскольку Вселенная «стремится» производить энтропию с максимально возможной скоростью, она обязательно создает организованные системы, помогающие ей более эффективно достичь своей термодинамической цели.

Разумному наблюдателю кажется, что эти эмерджентные структуры материализуются из воздуха, словно построенные невидимой рукой природы. Возьмем, к примеру, ураган. Атмосферный циклон образуется, когда разница температур между теплым океаном и холодной атмосферой становится достаточно большой, чтобы началось самопроизвольное возникновение. Формирующиеся спиралевидные ветры рассеивают градиент, закручивая воздушные потоки и смешивания теплые и холодные молекулы, пока не будет достигнуто устойчивое состояние термодинамического равновесия. Динамическая вращающаяся структура сохраняется до тех пор, пока не устраняется градиент и не прекращается поток энергии.

Спонтанное возникновение описывается как самоорганизация, потому что эмерджентная структура образуется благодаря законам природы и коллективным взаимодействиям компонентов системы, а не из-за действий внешнего агента, например инженера или сверхъестественного божества. Стоит отметить, что не совсем верно называть процесс образования порядка спонтанным, ведь он всегда управляется потоком энергии. Поэтому самоорганизация происходит только в открытых системах в условиях, далеких от равновесия.

Пригожин называл эти спонтанно самоорганизующиеся системы диссипативными структурами[4]4
  Также могут называться диссипативными системами. – Прим. пер.


[Закрыть], чтобы подчеркнуть их зависимость от энергии и их термодинамическую функцию, которая заключается в минимизации свободной энергии и производстве энтропии. Диссипативные структуры показывают, что производство энтропии может способствовать как порядку и сложности, так и неупорядоченности. Это открытие коренным образом меняет наше представление о втором законе термодинамики: он одновременно разрушитель и созидатель организованных структур в природе. По выражению самого Пригожина, «неравновесие порождает „порядок из хаоса“».

К счастью для Пригожина, диссипативные структуры нетрудно создать в лабораторных условиях. Направьте на систему из множества частиц постоянный поток энергии, например поток тепла или электрический ток, и наблюдайте, как она самоорганизуется, словно по волшебству. Когда энергия течет через систему, она уводит ее от состояния неупорядоченного равновесия к устойчивому состоянию динамической организации и функционирования.

Этого эффекта легко добиться, просто подогрев немного воды в кастрюле на плите. По мере нагревания нижнего слоя жидкости начинает расти разница температур между ним и более холодным поверхностным слоем сверху. Температурный градиент заставляет тепло перетекать от нижнего слоя к верхнему, создавая восходящий поток. Когда горячие (возбужденные) молекулы воды движутся вверх, у некоторых из них оказывается достаточно энергии, чтобы покинуть кастрюлю в виде пара. Испарение охлаждает молекулы на поверхности, заставляя их опускаться обратно на дно. Эти тепловые течения создают узорчатые потоки на путях наименьшего сопротивления, которые организуются в виде гексагональных структур, называемых конвективными ячейками или ячейками Бенара.

Можно получить и более сложную диссипативную структуру, создав градиент концентрации (химический градиент), выводящий химическую систему из равновесия. Именно это происходит в ходе так называемой реакции Белоусова – Жаботинского, которую Пригожин изучил и смоделировал математически. В этом примере эмерджентности определенная смесь химических веществ образует реакционный раствор с поразительными пространственными и временными закономерностями, видимыми невооруженным глазом. Более того, цвет раствора колеблется от синего до красного через равные промежутки времени, создавая самые настоящие химические часы! Эти красочные часы – поразительная иллюстрация того, как термодинамический дисбаланс приводит к появлению упорядоченного механизма.

Диссипативные структуры бывают самых разных форм и размеров, но все они циркулируют вокруг стабильных динамических состояний упорядоченности, которые ученые, изучающие сложные системы, называют аттракторами. Аттрактор – это набор состояний или конфигураций, к которым динамическая система стремится естественным образом, независимо от ее начальных условий, то есть того, с чего сформировалась система. Представьте себе мяч, катящийся с холма в долину. Ложе долины является аттрактором. Не имеет значения, с какой точки холма мяч стартовал, – в итоге он все равно окажется внизу. И поскольку нахождение внизу представляет собой состояние, в котором система минимизирует свою потенциальную энергию, то, как только мяч туда попадает, он обычно там и остается. Конечно, приток энергии извне мог бы вывести его из аттрактора, но спонтанно выход из аттрактора не происходит.

Тогда как для изолированных систем аттрактором является равновесное состояние полного хаоса и максимальной неупорядоченности, открытые системы, принимающие поток энергии, неизбежно движутся к неравновесным аттракторам – устойчивым состояниям упорядоченности, которым удается сохраняться за счет постоянного поглощения и рассеивания энергии из окружающей среды. В отличие от изолированной системы, где взаимодействующие молекулы в состоянии термодинамического равновесия «исследуют» свое конфигурационное пространство (трехмерное пространство возможных конфигураций), в сущности, случайным образом, открытая система, управляемая постоянным потоком энергии, будет детерминированно развиваться в направлении аттрактора – области конфигурационного пространства, соответствующей стабильному молекулярному положению.

Поскольку для сохранения стабильного состояния неравновесия постоянно требуется свободная энергия, то конфигурация аттрактора, к которому движется система, способствует оптимальному поглощению и диссипации энергии. Другими словами, естественное давление, направленное на минимизацию свободной энергии и производство энтропии, самопроизвольно создает упорядоченную структуру с целевой функцией. В появлении диссипативных структур мы видим возникновение цели в природе, и эта космическая цель связана с максимизацией скорости производства энтропии.

Если диссипативная система еще больше отдаляется от равновесия из-за увеличения скорости потока энергии и если она выдержит давление, то в конечном итоге будет преодолен другой критический порог, и развивающаяся система войдет в новый аттрактор – с конфигурацией, еще больше усиливающей поглощение энергии и ее диссипацию. Этот переход в состояние более высокого порядка известен как фазовый переход, и хотя мы можем примерно предсказать, когда такой переход, скорее всего, произойдет, предугадать свойства новой фазы часто бывает трудно или даже невозможно, поскольку процесс столь же хаотичен, сколь и упорядочен. Это означает, что, пока в космосе течет энергия, природа всегда будет преподносить нам интересные сюрпризы, сформированные изящным танцем на грани порядка и хаоса, который приводит к эмерджентности.