Текст книги "До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной"

Физика информации

К этому моменту вы, возможно, уже пришли к выводу, что молекулы жизни, должно быть, прекрасно освоили курс органической химии. В противном случае откуда бы им знать все, что они, кажется, знают? Откуда ДНК знает, что нужно расщепиться пополам и дополнить обнажившиеся основания комплементарными основаниями, образовав таким образом точную копию первоначальной молекулы? Откуда РНК известно, что нужно делать копии отдельных участков ДНК, переносить эту информацию к соответствующим клеточным структурам, где другие, но родственные молекулы знают, как считать с этих участков генетический код и связать из подходящих цепочек аминокислот действующие белки?

Разумеется, молекулы ничего этого не знают. Их поведение управляется слепыми, неразумными законами физики. Но вопрос остается: как получается, что молекулы раз за разом надежно и точно реализуют поразительно хитроумную серию сложных химических процессов? Все это заставляет вспомнить перефразированный мною главный вопрос Шрёдингера из книги «Что такое жизнь?». Толкотня и блуждание молекул внутри камня управляется законами физики. Толкотня и блуждание молекул внутри кролика тоже управляется законами физики. Чем же они различаются? Теперь мы увидели, что частицы в кролике испытывают на себе дополнительное влияние внутреннего информационного архива кролика, его клеточного «программного обеспечения». При этом важно – критически, жизненно важно, – что эта информация не упраздняет законы физики. Их ничто не может упразднить. Вместо этого, примерно как водяная горка не упраздняет законы гравитации, но благодаря своей форме ведет съезжающего по особой траектории, по которой он без нее не стал бы двигаться, так и клеточное «программное обеспечение» кролика исполняется при помощи химических приспособлений, которые благодаря своей форме, структуре и составляющим ведут различные молекулы по траекториям, по которым они в иной ситуации тоже не стали бы двигаться.

Как работают такие молекулярные проводники? Благодаря конкретному расположению составляющих ее атомов данная конкретная молекула, в принципе, может притягивать эту аминокислоту, отталкивать ту и совершенно никак не реагировать на присутствие остальных. Или, подобно подходящим друг к другу кирпичикам Лего, данная молекула может стыковаться только с одной конкретной другой молекулой. Все это физика. Когда атомы и молекулы отталкиваются, или притягиваются, или стыкуются между собой – это проявляется действие электромагнитных сил. Следовательно, смысл в том, что информация в клетке не абстрактна. Это не свободно плавающий набор инструкций, которые клетка должна выучить, запомнить и исполнить. Нет, эта информация кодируется непосредственно расположением атомов в молекулах; именно благодаря их расположению одни молекулы побуждают другие молекулы отскочить от них, или притянуться, или провзаимодействовать неким способом, который продвигает такие клеточные процессы, как рост, ремонт или воспроизведение. Несмотря на то что обитающие в клетке молекулы не имеют ни намерений, ни целей и несмотря на полное отсутствие в них сознания, их физическая структура позволяет им выполнять высокоспециализированные задачи.

В этом смысле процессы жизни представляют собой молекулярные блуждания, полностью описываемые физическими законами, которые одновременно с этим рассказывают более высокоуровневую историю, основанную на информации. Для камня никакой высокоуровневой истории не существует. Описав при помощи законов физики толкотню и блуждание молекул камня, вы завершите дело. Но когда вы при помощи тех же самых законов физики опишете толкотню и блуждание молекул кролика, дело будет не завершено. Далеко не завершено. На редукционистский сюжет накладывается целая дополнительная история, повествующая об уникальных внутренних молекулярных структурах кролика, которые управляют целым спектром изумительно организованных молекулярных взаимодействий, и именно они реализуют высокоуровневые процессы внутри клеток кролика.

На самом деле для кролика, да и для нас тоже, такая биологическая информация организуется также на более крупных масштабах, управляя процессами не только внутри отдельных клеток, но и в наборах клеток и порождая фирменный признак скоординированной сложности. Когда вы протягиваете руку за чашкой кофе, движение каждого атома, входящего в состав каждой молекулы в вашей руке, плече, торсе и мозге, полностью управляется законами физики. Повторим еще раз и с выражением: жизнь не противоречит и не может противоречить физическим законам. Ничто не может. Но тот факт, что громадное число ваших молекул может действовать согласованно и координировать свое движение так, чтобы в результате ваша рука потянулась через стол, а ваши пальцы надежно ухватили бы чашку, отражает богатство биологической информации, воплощенной в атомных и молекулярных структурах и управляющей множеством сложных молекулярных процессов.

Жизнь – это организованная физика.

Термодинамика и жизнь

Эволюция, согласно Дарвину, направляет развитие структур от молекул до единичных клеток и сложных многоклеточных организмов. Энтропия, по Больцману, прокладывает курс развертывания физических систем, от распространения ароматов до пыхтения тепловых машин и горения звезд. Жизнь подвержена обоим этим ведущим влияниям: жизнь возникла и совершенствовалась посредством эволюции. Жизнь, подобно всем физическим системам, подчиняется диктату энтропии. В последней паре глав книги «Что такое жизнь?» Шрёдингер исследовал кажущееся противоречие между тем и другим. Когда вещество сплавляется в жизнь, она поддерживает порядок на больших промежутках времени. А когда жизнь воспроизводит себя, она генерирует дополнительные наборы молекул, также организованные в упорядоченные структуры. Где же во всей этой истории энтропия, беспорядок и второе начало термодинамики?

Шрёдингер в своем ответе объяснил, что организмы противостоят переходу к более высокому уровню энтропии благодаря тому, что «питаются отрицательной энтропией»[86]86
  Шрёдингер Э. Что такое жизнь? – М.: Атомиздат, 1972.


[Закрыть]; эта формулировка не один десяток лет порождала путаницу и едкую критику. Ясно, однако, что у Шрёдингера, хотя он и пользовался немного иным языком, речь шла все о том же явлении, о котором говорили и мы с вами: об энтропийном тустепе. Живые существа не могут существовать изолированно, так что любое применение второго начала должно включать в рассмотрение и окружающую среду. Возьмите хотя бы меня. Более полувека я успешно удерживаю свою энтропию, не позволяя ей взлететь до небес. Чтобы добиться этого, я принимаю внутрь упорядоченные структуры (по большей части овощи, орехи и зерновые), медленно сжигаю их (в ходе окислительно-восстановительных реакций электроны из пищи каскадом сыплются по ступеням амфитеатра и в конечном итоге соединяются с кислородом воздуха, который я вдохнул), использую высвобожденную энергию для обеспечения различных метаболических процессов и сбрасываю энтропию в окружающую среду с отходами жизнедеятельности и теплом. В целом этот тустеп позволяет моей энтропии обманывать, на первый взгляд, второе начало, а среда старательно прикрывает мне спину, принимая в себя энтропийные излишки. Процесс горения, хранения и высвобождения энергии для обеспечения клеточных функций сложнее, чем соответствующий процесс обеспечения работы паровых машин, но, энтропийно говоря, основные физические процессы там и там одинаковы.

Информация и живучесть

Помимо выбранных Шрёдингером слов, есть еще одна, менее яркая причина для беспокойства – происхождение высококачественной низкоэнтропийной пищи. Проследив пищевую цепочку от животных вниз, мы видим растения, которые питаются непосредственно солнечным светом. Их энергетический цикл представляет собой еще один пример энтропийного тустепа. Влетающие солнечные фотоны, поглощаемые растительными клетками, загоняют электроны на более высокие энергетические уровни; затем клеточная «машинерия» использует эту энергию (через серию ОВР, которые аккуратно проводят электроны вниз по ступенькам лестницы амфитеатра) для питания различных клеточных функций. Таким образом, фотоны с Солнца и есть та самая низкоэнтропийная, качественная пища, которую растения поглощают, используют для жизненных процессов, а затем выпускают в высокоэнтропийной вырожденной форме в виде отходов (за каждый фотон, полученный от Солнца, Земля посылает обратно в пространство менее упорядоченный набор из пары десятков энергетически истощенных и широко разбросанных инфракрасных фотонов)[87]87
  Энергия, приносимая входящими фотонами, более концентрированна (их длины волн меньше и лежат в видимой части спектра, а количество их меньше) и, соответственно, более высококачественна; энергия, уносимая исходящими фотонами, более разрежена (длины их волн больше и лежат в инфракрасной части спектра, и по количеству их больше) и, соответственно, имеет более низкое качество. Таким образом, полезность солнечной энергии заключается не только в большом ее количестве, поступающем от Солнца, но и в высоком качестве, поскольку эта энергия несет в себе намного меньше энтропии, чем теплота, которую Земля излучает обратно в пространство. Как отмечалось в этой главе, на каждый фотон, который Земля получает от Солнца, приходится несколько десятков тех, которые она испускает в пространство. Чтобы оценить это число, отметим, что солнечные фотоны испускаются средой, температура которой составляет около 6000 K (температура поверхности Солнца), тогда как те, что излучаются Землей, исходят из среды с температурой около 285 K (температура поверхности Земли). [Средняя температура, с которой Земля излучает в космос, даже ниже – около 255 K, поскольку из-за парниковых газов атмосфера не вполне прозрачна в инфракрасном диапазоне и значительная часть теплового излучения уходит с высоты нескольких километров, где температура заметно ниже, чем на поверхности. – Прим. науч. ред.] Энергия фотона пропорциональна этим температурам (если рассматривать фотоны как идеальный газ из частиц), следовательно, отношение числа фотонов, принятых Землей от Солнца, к числу излученных обратно задается отношением двух температур, 6000 K/285 K, что составляет около 21 фотона.


[Закрыть].

Идя дальше по следу низкоэнтропийного источника, мы выясняем происхождение Солнца, что аккуратно стыкуется с гравитационной историей из главы 3: сила тяжести сжимает газовые облака в звезды, понижая их внутреннюю энтропию и посредством высвобождения теплоты повышая энтропию окружающей среды. В конечном итоге вспыхивают ядерные реакции, звезды зажигаются и вовне устремляются потоки фотонов. Если звезда, о которой идет речь, – Солнце, то фотоны, которые достигают Земли, становятся тем самым низкоэнтропийным источником энергии, что питает метаболизм растений. Отсюда понятно, почему исследователи часто говорят, что гравитация поддерживает жизнь. Это правда, но к настоящему моменту вы уже знаете, что я предпочитаю распределять заслуги более справедливо. Гравитация заслуживает хвалы, поскольку благодаря ей образуются сгущения вещества и стабильная звездная среда, но следует похвалить и ядерный синтез за неустанное – на протяжении миллионов и миллиардов лет – производство стабильного потока высококачественных фотонов.

Таким образом, ядерное взаимодействие в тандеме с гравитацией – вот источник живительного низкоэнтропийного топлива.

Общая теория жизни?

В лекциях 1943 г. Шрёдингер подчеркивал, что поток научных достижений в последнее время настолько плотен, что «стало почти невозможно одному человеку охватить более чем небольшой специализированный кусочек»[88]88
  Шрёдингер Э. Что такое жизнь? – М.: Атомиздат, 1972.


[Закрыть]. Вследствие этого он призвал мыслителей расширять область своей компетентности, чаще выходя за рамки традиционного интеллектуального поля деятельности. В книге «Что такое жизнь?» он открыто применил научную подготовку, интуицию и здравый смысл физика к исследованию загадок биологии.

В последующие десятилетия, по мере того как знание становилось все более специализированным, расширялась и когорта исследователей, продолжавших поддерживать призыв Шрёдингера к междисциплинарности. Откликнулись на него многие. Исследователи с подготовкой в нескольких областях, таких как физика высоких энергий, статистическая механика, компьютерные науки, теория информации, квантовая химия, молекулярная биологи и астробиология, а также многих других, открыли новые перспективные способы изучения природы жизни. Я завершу эту главу подробным рассказом об одном таком достижении, которое продолжает нашу термодинамическую тему и, если программа завершится успехом, когда-нибудь, возможно, поможет ответить на некоторые из самых глубоких вопросов науки. Может ли жизнь быть настолько маловероятной возможностью, что она возникла лишь однажды во Вселенной, содержащей сотни миллиардов галактик, в каждой из которых сотни миллиардов звезд, многие из которых имеют планеты? Или жизнь – это естественный и, возможно, даже неизбежный результат определенных базовых и относительно часто встречающихся условий среды – и тогда следует предположить, что космос просто кишит жизнью?

Чтобы хоть как-то подойти к такому всеобъемлющему вопросу, нам потребуются принципы сравнимого масштаба. К настоящему моменту мы видели уже достаточно доказательств широкой применимости термодинамики – физической теории, которую Эйнштейн называл единственной теорией, о которой он может уверенно заявить: «Она никогда не будет низвергнута»[89]89
  Albert Einstein, Autobiographical Notes (La Salle, IL: Open Court Publishing, 1979), 3. Красивое современное изложение принципов термодинамики в контексте живых систем с интересными примерами, иллюстрирующими многие существенные концепции, которые мы привлекаем, см.: Philip Nelson, Biological Physics: Energy, Information, Life (New York: W. H. Freeman and Co., 2014).


[Закрыть]. Возможно, при анализе природы жизни – ее происхождения и эволюции – мы сможем продвинуть термодинамическую перспективу еще дальше.

В последние несколько десятилетий ученые занимаются именно этим. Появилась новая исследовательская дисциплина (называемая неравновесной термодинамикой), которая систематически анализирует ситуации того рода, который мы постоянно встречаем: высококачественная энергия циркулирует по системе, питая энтропийный тустеп и позволяя таким образом системе сопротивляться тяге к внутреннему беспорядку, который в противном случае взял бы верх. Бельгийский специалист по физической химии Илья Пригожин, получивший в 1977 г. Нобелевскую премию за новаторскую работу в этой области, разработал математический аппарат для анализа конфигурации материи, которая, получая энергию от непрерывного источника, может спонтанно становиться упорядоченной. Пригожин называл это «порядок из хаоса». Если у вас в школе хорошо преподавали физику, вы, возможно, слышали о простом, но весьма впечатляющем примере – ячейках Бенара. Нагрейте плоское блюдце с лужицей вязкого масла. Поначалу почти ничего не происходит. Но по мере того, как вы постепенно повышаете энергию, протекающую через жидкость, случайные молекулярные движения вдруг сговариваются и порождают порядок. Глядя на масло сверху, вы увидите, как оно образует коллекцию маленьких шестиугольных клеточек. Глядя сбоку, вы заметите, как жидкость движется стабильным и регулярным образом, поднимаясь от подножия каждой шестиугольной ячейки, достигает верхушки и затем опускается обратно ко дну ячейки.

С точки зрения второго начала термодинамики такая спонтанная упорядоченность совершенно неожиданна. Она возникает, потому что молекулы жидкости подвержены определенному влиянию среды: их постоянно нагревают. И такое непрерывное вливание энергии производит значительный эффект. В любой системе время от времени возникают спонтанные флуктуации, в результате которых на мгновение образуется маленький локальный участок с упорядоченной структурой. Обычно такие локальные флуктуации быстро рассеиваются в неупорядоченную форму. Но анализ Пригожина показал, что молекулы, выстроенные в определенные паттерны, начинают мастерски поглощать энергию и это предписывает им другое поведение. Если физическая система получает от среды стабильный поток концентрированной энергии, то особые молекулярные структуры могут использовать эту энергию на поддержание и даже усиление своей упорядоченной формы; при этом энергию они сбрасывают в вырожденном виде (менее доступном, более рассеянном) обратно в окружающую среду. Упорядоченные паттерны рассеивают энергию и поэтому называются диссипативными структурами. Полная энтропия, с учетом среды, возрастает, но, стабильно закачивая энергию в систему, мы можем создавать и поддерживать порядок при помощи устойчивого энтропийного тустепа.

Описание Пригожина идет рука об руку с физическим объяснением того, как организмы борются с энтропийной деградацией, восходящим еще к Шрёдингеру. Не то чтобы клетки Бернара были живыми, но живые существа тоже являются диссипативными структурами – получают энергию из окружающей среды, используют ее для поддержания или развития своей упорядоченной формы и выпускают эту энергию в вырожденном виде обратно в окружающую среду. Результаты Пригожина математически точно отражают его девиз «Порядок из хаоса»; в дальнейшем многие исследователи высказывали предположения, что, развивая математический аппарат, возможно, удастся разобраться в том, как необходимые для жизни упорядоченные молекулы родились из хаоса беспорядочного молекулярного движения, происходившего на ранней Земле.

Из многочисленных участников этой программы особенно интересна недавняя работа Джереми Ингленда (расширяющая более ранние результаты, полученные исследователями, в число которых входили Кристофер Яржински и Гэвин Крукс)[90]90
  J. L. England, «Statistical physics of self-replication», Journal of Chemical Physics 139 (2013): 121923. Nikolay Perunov, Robert A. Marsland, and Jeremy L. England, «Statistical Physics of Adaptation», Physical Review X 6 (June 2016): 021036–1; Tal Kachman, Jeremy A. Owen, and Jeremy L. England, «Self-Organized Resonance During Search of a Diverse Chemical Space», Physical Review Letters 119, no. 3 (2017): 038001–1. См. также: G. E. Crooks, «Entropy production fluctuation theorem and the nonequilibrium work relation for free energy differences», Physical Review E 60 (1999): 2721; and C. Jarzynski, «Nonequilibrium equality for free energy differences», Physical Review Letters 78 (1997): 2690.


[Закрыть]. При помощи остроумных математических манипуляций Ингленд сумел вычленить следствия, вытекающие из второго начала термодинамики при применении его к системам, питаемым внешним источником энергии. Чтобы получить некоторое представление о его результате, представьте себя на детских качелях. Каждый ребенок интуитивно знает: чтобы раскачать качели и поддерживать их ровное ритмичное движение, нужно вытягивать ноги (и наклоняться) с правильной частотой и в нужные моменты. Частота эта, согласно основам физики, зависит от расстояния между сиденьем качелей и осью или опорой, вокруг которой они поворачиваются. Если качать ногами с неверной частотой, несовпадение ритма помешает качелям эффективно поглощать поставляемую вами энергию, поэтому сильно раскачаться не удастся. Представьте, однако, что данные конкретные качели имеют необычное свойство: когда вы качаете ногами, длина качелей меняется, уравнивая период их движения с движением ваших ног. Такая «адаптация» позволяет качелям быстро войти в ритм, принять предлагаемую вами энергию и набрать хорошую высоту на каждом цикле. После этого энергия ваших действий (качания ногами) продолжает поглощаться качелями, но не заставляет их раскачиваться еще выше. Вместо этого энергия, которую вы подаете, помогает сохранять стабильность движения качелей, уравновешивая тормозящую силу трения и выделяя в процессе этого отходы (теплоту, звук и т. п.), которые уходят обратно в окружающую среду и рассеиваются там (при условии, что вы не сорвиголова, как моя дочь, которая, дождавшись высшей точки подъема качелей, спрыгивает с них и взлетает, а затем рассеивает энергию кувырканием по земле).

Математический анализ Ингленда показывает, что в молекулярном царстве частицы, которые «подталкиваются» внешней силой, могут переживать что-то подобное вашей эскападе с качелями. Первоначально беспорядочный набор частиц может адаптировать свою конфигурацию так, чтобы «попасть в колею» – образовать структуру, которая, более эффективно поглощая энергию из окружающей среды, использует ее для поддержания или усиления упорядоченного внутреннего движения или структуры, а затем рассеивают эту энергию в вырожденном виде обратно в окружающую среду.

Ингленд называет этот процесс диссипативной адаптацией. Потенциально это универсальный механизм, при помощи которого можно побудить определенные молекулярные системы стронуться с места и станцевать энтропийный тустеп. А поскольку именно это живые существа и делают, чтобы жить (берут высококачественную энергию, используют ее, а затем возвращают в окружающую среду низкокачественную энергию в форме тепла и других отходов), очень может быть, что диссипативная адаптация сыграла важную роль в происхождении жизни[91]91
  Ингленд указывает также, что, поскольку физическая структура живого не просто упорядочена в какой-то момент, но поддерживает свою упорядоченность на протяжении долгого времени – какое-то время даже после смерти, значительная часть отходов бросовой энергии, которую вырабатывает живой мир, является, возможно, побочным продуктом строительства подобных стабильных структур. Поэтому вероятно, что для жизни доминирующий вклад в энтропийный тустеп связан с формированием структур вкупе с непрерывным сохранением гомеостаза. Обратите также внимание, что, хотя живым системам необходимо потреблять высококачественную энергию, им необходимо также, чтобы эта энергия была в такой форме, которая не нарушает внутренней организации системы. В качестве наглядной иллюстрации: стеклянный бокал можно заставить вибрировать при помощи звука подходящей частоты, но если этот звук будет нести в себе слишком много энергии, то бокал лопнет. Чтобы избежать аналогичного исхода, некоторые степени свободы в диссипативной системе могут складываться в конфигурации, которые позволяют избежать резонанса с энергией, поступающей из окружающей среды. Живой мир предполагает разумный баланс между этими крайностями.


[Закрыть]. Ингленд отмечает, что репликация сама по себе есть мощный инструмент диссипативной адаптации: если небольшая группа частиц научилась хорошо усваивать, использовать и отдавать энергию, то две такие группы справятся с задачей еще лучше; так же и четыре группы, и восемь и так далее. Следовательно, способные к самокопированию молекулы, возможно, являются ожидаемым результатом диссипативной адаптации. А как только на сцене появляются самокопирующиеся молекулы, в дело вступает молекулярный дарвинизм и начинается движение к жизни.

Эти идеи пока находятся на ранних стадиях разработки, но я не могу не думать о том, что они прибавили бы Шрёдингеру счастья. Используя фундаментальные физические принципы, мы разработали представление о Большом взрыве, образовании звезд и планет, о синтезе сложных атомов и теперь определяем, как эти атомы могли бы организоваться в самокопирующиеся молекулы, приспособленные к извлечению энергии из окружающей среды для строительства и поддержания устойчивых упорядоченных форм. Зная, как молекулярный дарвинизм отбирает все более приспособленные молекулярные группы, мы можем представить, как некоторые из них могли выработать умение хранить и передавать информацию. «Руководство по эксплуатации», передаваемое от одного молекулярного поколения другому и сохраняющее проверенные в деле стратегии приспособления, – мощное оружие на пути к молекулярному главенству. А действуя на протяжении сотен миллионов лет, эти процессы вполне могли потихоньку слепить и первую жизнь.

Не ясно, уцелеют ли те или иные аспекты этих идей после будущих открытий, но контуры истории жизни с точки зрения физики однозначно обретают форму. И если эта история окажется настолько общей, насколько позволяют надеяться недавние исследования, то вполне может оказаться, что жизнь – явление в космосе совершенно обычное. Это невероятно увлекательно, но жизнь – это одно, а разумная жизнь – совсем другое. Обнаружение микробов на Марсе или на спутнике Юпитера Европе стало бы эпохальным открытием. Но при этом мы как мыслящие, общающиеся и творческие существа по-прежнему были бы одиноки.

Что же в таком случае представляет собой путь от жизни к сознанию?