Текст книги "Прозрение"

2. Альтернатива закону о необратимости явлений реального мира

Но, видимо, в Природе существует какой-то процесс, который компенсирует естественный рост энтропии. Не изменяются атомы и молекулы; например, капля воды, только что полученная в химической реакции неотличима от капли, поднятой со дна Тихого океана из самого глубокого места. Возраст последней может оказаться равным многим миллиардам лет. Растут кристаллы, произошла эволюция Жизни, идет технический прогресс. Все эти процессы происходят с упорядочением, с усложнением систем. Но применима ли для них аксиома о точках бифуркации? Конечно, применима, но только в случаях, когда присутствует отличная от единицы вероятность перехода системы в будущие состояния.

Как же избежать этого вероятностного характера явлений? Идея здесь может быть только одна – надо исключить случайность! Но как это сделать? Нельзя ли в аксиоме о точках бифуркации (Рис. 1) довести значения одной из вероятностей до единицы, т.е. до достоверного события. Да, можно, конечно. Но только локально в ограниченных масштабах и пространства, и времени. В природе, в быту человеческого существования таких явлений не счесть. Включили настольную лампу. Вероятность того, что она включена, равна единице. Выключили – вероятность предыдущего события стала равна нулю. Такие явления прерывисты, дискретны, меняются скачками. Дискретны атомы и молекулы. Дискретны люди, машины, животные и растения, и алгоритмы. Последнее очень важно.

И говорить об энтропии в случае, когда вероятности перехода в будущие состояния равны единице или нулю, нет смысла. Её просто нет.

Алгоритм представляет процесс как последователь ное выполнение некоторых простых действий. При этом для выполнения каждого шага алгоритма требуется конечный отрезок времени, то есть этот процесс осуществляется во времени дискретно. Интуитивно, кажется, что алгоритм либо есть, либо его нет, без каких-либо промежуточных состояний. Нельзя оказаться между двух алгоритмов. Но обсудим это явление подробнее. Отметим только, что алгоритм – одно из главных понятий кибернетики.

Разделим (следуя редукционизму) существующие в Природе алгоритмы на три категории:

1. Алгоритмы, связанные с действием на макроскопические элементы природных систем, – организмы и их внутренние циклы (кровообращение, рефлексы, пищеварение и т.д.), люди и машины, социальные и технические системы, циклы в неживой природе (кругооборот воды в атмосфере и т.д.).

2. Алгоритмы, связанные с химическими реакциями. В том числе и биохимические алгоритмы.

3. Гипотетические алгоритмы функционирования полей внутри элементарных частиц материи (фотоны, электроны и т.д.).

Для первой группы алгоритмов первостепенное значение имеет понятие обратной связи (Рис. 2). Существует два крайних случая обратной связи.

Отрицательная обратная связь, «при которой изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое противодействует первоначальному изменению».

Рис. 2 Обратная связь

Положительная обратная связь, «при которой изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения».

Для нас сейчас важна ситуация с положительной обратной связью, когда внешний импульс приводит к лавинообразному нарастанию сигнала на выходе за счет внутренней энергии системы до максимального энергетического уровня. Это нарастание через некоторое время прекращается и выходной сигнал сбрасывается. На выходе системы образуется импульс, который идет далее к другим системам. Резкое спадание импульса на выходе и его амплитуда зависят от внутреннего устройства системы. Например, все компьютеры в основе своего устройства имеют специальную схему с положительной обратной связью – триггер. Сигнал на его выходе быстро достигает уровня напряжения источника питания и затем переключается на низкий уровень. На выходе триггера получается прямоугольный импульс напряжения. При возбуждении нервной клетки, например, от внешнего воздействия (палец оказался вблизи открытого огня – нервная клетка как рецептор чувствует тепло) она возбуждается и на её выходе, связанном с другими клетками, нарастает сигнал (электрический ток в виде перемещения ионов). Но ресурсы клетки ограничены, и импульс кончается, а образовавшийся сигнал движется по нервам, распространяясь до мозга, который дает обратный импульс мышце, отдергивающей руку от огня. А начальная клетка – рецептор уже накопила энергию и готова опять послать импульс. В природе, в технике такие системы (элементарные структуры) могут быть чрезвычайно разнообразны. Например, могут иметь несколько выходов или входов. И, конечно, всегда для их работы необходима энергия.

Нетрудно видеть, что если мы соединим множество не обязательно одинаковых систем с внутренней положительной обратной связью в линейную цепь, то они будут последовательно возбуждать друг друга. Получим цепь причинно-следственных дискретных явлений, т.е. алгоритм. Теперь соединим конец этой цепи с её началом и возбудим неким внешним толчком. Образуется замкнутый цикл – замкнутый алгоритм. И сам этот цикл оказывается дискретным явлением – он либо есть, т.е. он работает, либо его нет (не работает). Промежуточных состояний в принципе не может быть! Понятно, что и в этом случае нужен приток энергии. И в каждом конкретном случае необходимо разбираться как, в каком виде эта энергия поступает. Приведем весьма характерную для биологов цитату Ричарда Докинза [5]: «Когда креационисты (церковники – ЛШ) говорят, как они часто делают, что теория эволюции противоречит второму закону термодинамики, они говорят нам не больше, чем то, что они не понимают второй закон (мы уже знаем, что они не понимают эволюции). Нет никакого противоречия, из-за солнца! Вся система, говорим ли мы о жизни или о воде, поднимающейся в облака и падающей снова, в конечном счете, зависит от постоянного притока энергии от солнца. Никогда фактически не нарушая законов физики и химии – и, конечно, никогда не нарушая второй закон – энергия солнца поддерживает жизнь, вытягивая все возможное из законов физики и химии, чтобы эволюционировали потрясающие достижения сложности, разнообразия, красоты и странной иллюзии статистического неправдоподобия и преднамеренного созидания». Конечно, второй закон термодинамики здесь не причем. Как мы говорили выше, биологические системы не связаны с этим законом. Но Докинза можно понять. Он находится во власти широко распространенной путаницы – второй закон термодинамики распространяется на все системы природы. Есть более общий закон о необратимости природных явлений. Он действует так же, но нельзя второй закон термодинамики выносить за границы этой науки; в ситуации, описанной в цитате, он не приемлем.

Но как солнце «вытягивает» энергию, совершенно необходимую для эволюции? Да, конечно, за счет фотосинтеза. За счет работы алгоритма, открытого природой где-то около 2,5 миллиардов лет назад. И заметьте, дорогой читатель, что этот алгоритм работает и сейчас. Он не изменился. Попробуйте найти еще один пример такой стабильности. Образовывались и исчезали горы и моря, двигались материки, были и другие ужасные катастрофы на планете, а алгоритм остался. Вся история человеческой цивилизации – мгновение перед этим сроком. Но вернемся к подробному рассмотрению алгоритмов.

Мы рассматриваем алгоритмы, воплощенные материально. Система, функционирующая по неким алгоритмам, всегда находится в окружающей среде, которая может изменяться со временем. Эти изменения могут быть случайными. Поэтому время функционирования нашей системы ограничено. Рано или поздно внешние воздействия окажутся настолько сильными, что разобьют её алгоритм. Закон о необратимости природных процессов восторжествует. Поэтому такие алгоритмические системы могут существовать только в некотором, благоприятном для них диапазоне внешних условий.

Возможны ли такие алгоритмы в природе? Конечно возможны, так как обратная связь существует в многообразных проявлениях. Например, кругооборот воды в природе. Солнце испаряет воду с поверхности земли и воды. Пар поднимается в верхние слои атмосферы и конденсируется, накапливаясь в облаках. Капли образующейся при этом воды укрупняются и падают обратно на землю. Причем облака могут быть унесены ветром на большое расстояние. Этот грандиозный циклический процесс (алгоритм) является одним из условий возникновения и существования жизни на Земле.

Для наших рассуждений важно еще одно обстоятельство. Множество систем, имеющих внутренние алгоритмы функционирования, может быть не обязательно линейным. Например, выход одной из систем подключен не к одной последующей системе, а к двум. И вторая система включена в другой цикл. Нетрудно обобщить эту идею на как угодно большое число связанных между собой алгоритмов и комплексов систем, где они осуществляются. Более того, легко представить некий комплекс алгоритмов, который будет менять свое функционирование от внешних воздействий (сигналов). Дело в том, что возможна ситуация, когда сигнал поступает на входы двух систем, но их свойства изменились по сравнению с прошлым циклом, например, уменьшилась чувствительность входа одной из систем, и она в этом случае перестанет принимать поступающий сигнал. А это означает, что может начать работать другой алгоритм – произойдет переключение алгоритмов. Например, животное спит. Вдруг поступает сигнал от органа слуха, что кто-то приближается к нему. Вдруг это хищник. Животное вскакивает и убегает. Конечно, под действием сигнала из внешней среды произошло переключение алгоритмов организма. В технических устройствах, в компьютерных системах это явление специально организуется и широко используется.

Алгоритм дискретен, и поэтому его трудно разрушить случайными воздействиями. Он как бы противостоит им за счет положительной обратной связи. Мы с вами – организмы, имеющие большое количество алгоритмов, связанных между собой в единое целое. Именно функционирование этих алгоритмов, их дискретность противостоит разрушающему влиянию внешней среды [3]. Существенным оказывается не только устройство системы, но и её функционирование. Для организмов прекращение функционирования внутренних алгоритмов означает смерть.

Разбираясь со второй группой алгоритмов, сразу заметим, что они существуют, давно открыты и плодотворно изучаются. Есть они и в неживой природе. Чего стоит, например, только самопроизвольный рост кристаллов. Вообще, атомы и молекулы дискретны. Это факт. Они «защелкиваются» в определенной взаимосвязи элементарных частиц, разрушить которую всегда трудно. Вообще, процессы взаимодействия дискретных частиц между собой очень многообразны. И результат этих процессов опять дискретен. Имеются в виду химические реакции.

При этом кажется очевидным, что молекулы, грубо говоря, имеют определенную форму в пространстве. Для очень многих веществ эта форма известна, известна и величина связей между атомами в молекуле, и направление связей в пространстве. При этом появляется, так называемое, смещение внутренних зарядов молекулы. Характерный пример – вода ( Рис.3).

Рис. 3 Молекула воды.

Химические связи её молекулы полярные: кислород подтягивает к себе электронные облака («орбиты») водорода. Вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода – положительный. Поэтому и вся молекула воды попадает в отряд веществ, молекулы которых представляют собой электрические диполи. Это явление порождает множество необычных свойств воды. Её молекулы, притягиваясь различными полюсами, могут образовывать цепочки и более сложные конгломераты (кольца и т.п.), обволакивать молекулы или ионы некоторых других веществ водяной оболочкой и т.д.

Следовательно, в общем случае, молекулы, находясь рядом, могут поворачиваться относительно друг друга в соответствии с электрическими зарядами, которые «выступают на их поверхности». Эти силы взаимодействия могут быть, очевидно, различными у разных веществ и этому есть множество примеров. Прежде всего, это рост кристаллов. Их молекулы «защелкиваются» в определенном дискретном состоянии, и остаются в этом состоянии в некотором диапазоне параметров внешней среды.

Интересно то, что если молекулы нескольких разных веществ находятся рядом, например, в каком-нибудь растворе, то они, очевидно, будут поворачиваться друг к другу разноименными полюсами. При этом их будут непрерывно встряхивать удары соседних молекул. Сила этих ударов зависит от температуры среды. Примером такого взаимодействия является электролитическая диссоциация, когда молекулы воды настолько сильно взаимодействуют с растворенной в ней, например, кислотой, что разделяют её молекулы на ионы, окружая их сплошной оболочкой.

Развивая эту мысль дальше, мы приходим к известному выводу, что это явление поляризации молекул будет влиять на взаимодействие реагирующих между собой веществ (на химические реакции). Это особенно касается сложных молекул, которые имеют много «выступающих» зарядов и сложную форму. Кажется очевидным, что две молекулы, повернутые друг к другу, будут реагировать во времени по разному в зависимости от угла этого поворота. Так нельзя ли как-то организовать благоприятное расположение молекул перед реакцией. Оказывается можно! И природа нашла поразительный метод его осуществления. Это катализ, когда при химической реакции присутствует вещество (катализатор), не участвующее в ней, но влияющее на её скорость или другие параметры. Катализаторы широко применяются в промышленном производстве химических веществ. Особенно большое значение имеет катализ в биохимии, где катализаторы имеют специальное название – ферменты. Например, реакция расщепления мочевины в организмах идет в присутствии специфического только для этой реакции фермента – уреазы. Исходный продукт разлагается на аммиак и углекислый газ. Конкретные механизмы катализа разнообразны и некоторые из них объяснены.

Приведем обобщающий пример биохимической реакции с участием фермента.

1. Присоединение субстрата (первоначального продукта) к ферменту с образованием фермент-субстратного комплекса.

2. Преобразование фермент-субстратного комплекса в один или несколько переходных комплексов за одну или несколько стадий.

3. Превращение переходного комплекса в комплекс фермент-продукт.

4. Отделение конечных продуктов от фермента.

Приведем еще пример, с неорганическими веществами. Это, так называемая реакция Белоусова-Жаботинского, которая есть каталитическое окисление различных восстановителей кислотой НВrO₃. При этом наблюдаются колебания концентраций окисленной и восстановленной форм катализатора и некоторых промежуточных продуктов. Реакция идет в кислом водном растворе; в качестве катализаторов используют ионы металлов переменной валентности, например, селен или марганец, в качестве восстановителей – малоновую кислоту (C₃H₄O₄), и др. Колебания концентраций окисленной и восстановленной форм катализатора сопровождаются колебаниями окраски раствора от бесцветной к желтой или от голубой к красной при различных катализаторах.

При проведении реакции Белоусова – Жаботинского в закрытой системе можно наблюдать до несколько тысяч циклов изменения цвета раствора; в проточном реакторе колебания поддерживаются сколь угодно долго. В не перемешиваемом растворе, где исключена конвекция, наблюдаются бегущие концентрические волны, образующие самоподдерживающиеся динамические структуры.

Таким образом, мы приходим к заключению, что в микромире атомов и молекул также возможно спонтанное, самопроизвольное возникновение алгоритмов.

Третья группа алгоритмов довольно гипотетична и пока находится в стадии накопления информации. Исключение составляет найденные автором аналитические решения системы дифференциальных уравнений Максвелла [24], которые дают замкнутый материальный объект в пространстве, функционирующий во времени (Рис. 4), т.е. алгоритм.

Рис. 4. Решение уравнений Максвелла в виде структуры, основанной на гиперболических функциях.

Вообще эти уравнения написаны на основе экспериментального явления. Изменение электрического поля (причина) вызывает изменение магнитного поля (следствие) и наоборот, т.е. элементарного алгоритма, состоящего всего из двух действий.

Полученный объект очень похож на элементарную частицу, но пока неясны до конца его свойства, так как уравнения Максвелла связаны с классической физикой и не могут дать квантовых свойств, которыми обладают все, без исключения, элементарные частицы. Например, спин. На рисунке шкалы на осях координат в метрах.

Необходимы дальнейшие исследования полученных решений. Это требует усилий многих ученых, так как полученные формулы решения чрезвычайно громоздки. Их анализ требует значительного времени и сил, которых у меня нет.

Предполагается, что стабильность элементарных частиц, атомов и молекул обеспечивают именно алгоритмы функционирования физических полей.

Таким образом, мы выяснили возможность существования процессов, идущих независимо от естественного роста энтропии.

3. Эволюция Жизни на нашей планете

Обсудим теперь процесс самоорганизации в биологических системах. Предыдущий вывод о неизбежности роста энтропии в любых системах нам не помешает. Была бы энергия. Нам необходимо найти некий «механизм», который обеспечил бы самоорганизацию биологических объектов, и обеспечил бы компенсацию неизбежного роста энтропии.

Сделаем мысленный эксперимент. Возьмем небольшой ящик и набросаем туда кусочки проволоки, свитые в виде пружинок разного диаметра и длины. Расположение их будет хаотично. Но давайте встряхивать ящик, имитируя действие внешней среды. Пружинки моментально зацепятся друг за друга и, через некоторое время мы получим единственное тело, состоящее из сцепившихся пружин. Это, конечно, нельзя назвать порядком, но энтропия явно снизилась. Это уже не беспорядок. Эксперимент можно усложнить, специально изготовив отдельные тела со многими зацепами и углублениями на поверхности, которые подходили бы друг к другу, как ключ к замку. Если теперь опять потрясти ящик, то уже будет интересно заглянуть внутрь. Там могут оказаться далеко не простые тела.

А теперь перейдем к молекулам! Соберем некоторые простые химические вещества, из которых могли бы образоваться органические молекулы в один сосуд и посмотрим, что получится. Можно и потряси наш состав, т.е. подогреть сосуд. Можно добавить и другие возбуждающие факторы (разряды электричества). Мы пришли к опыту Стэнли Миллера. Заметьте, мы не отвергаем закон естественного нарастания неопределенности. Просто весь остальной мир находится под действием случайных явлений и энтропия там растет. У нас тоже не избежать этого. В первом примере надо подождать, когда пружинки распадутся от ржавчины.

Рис. 5 Опыт Миллера-Юри

В опыте Миллера образовались сложные вещества из простых. Атомы защелкнулись в сложные органические молекулы («зацепились друг за друга»). Разрушить их можно только преодолев некоторый энергетический порог. Это известный классический эксперимент, в котором симулировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химического предопределения эволюции [9]. Фактически это был экспериментальный тест гипотезы, высказанной ранее о том, что условия, существовавшие на первобытной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Был проведён в 1953 году Миллером и Юри. Аппарат, предназначенный для проведения эксперимента, показан на рис. 5.

Вода в нижней колбе подогревалась, и пар попадал в стеклянный сосуд, где смешивался с газами, смесь которых соответствовала тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли. Через неё пропускались электрические разряды.

После двух недель работы системы жидкость в колбе стала приобретать темный красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил в ней 5 аминокислот! Более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот. Аминокислоты – органические соединения, из которых, в частности, состоят белки нашего организма.

Вывод таков. Порядок, определенность могут увеличиться локально и на некоторое конечное время без привлечения термодинамики к объяснению этого явления. Такое возможно для дискретных явлений. Особенность этих явлений заключается в том, что при переходе некоторой системы из одного состояние в другое необходимо затратить энергию. Вероятности состояний системы после таких «переключений» равны единице или нулю.

Сделаем ещё один шаг. На древней Земле и при огромном располагаемом времени, могли образоваться не только сложные органические молекулы, но и определенные последовательности неодинаковых химических реакций, вызывающих одна другую [3, 5, 6, 9, 27]. А это уже алгоритмы, цепи последовательных реакций химических веществ. Эти цепи могут замкнуться. Получится цикл, кольцевой алгоритм, который также дискретен и функционирует во времени. Такие алгоритмы есть и для неорганических веществ (синергетика). Для их разрушения опять нужно преодолеть некоторый порог энергии.

В организмах и в их связях с внешней средой присутствует множество алгоритмов. Некоторые из них образовались при зарождении Жизни и явились её основой, другие – прошли путь эволюции, т.е. появлялись в её процессе (фотосинтез, терморегуляция и т.д.) [3, 6, 7].

Мы теперь можем сделать фундаментальный вывод. Так как алгоритмы дискретны, то в некотором диапазоне условий окружающей среды они не подвержены случайностям. Эти условия не могут изменить алгоритм. Они могут только уничтожить его. Следовательно, алгоритмы противостоят закону о необратимости явлений реального мира. Но алгоритмы есть последовательности некоторых действий, которые тем или иным образом могут влиять на окружающую среду.

Поэтому можно поискать среди множества биохимических алгоритмов, действующих в организмах, такие, которые обеспечили эволюцию жизни на Земле.

Но, очевидно, диапазон внешних условий, в которых биохимические алгоритмы могут существовать, значительно меньше, чем, например, для атомов и молекул стабильных химических веществ. Тем более что случайные изменения внешней среды всегда присутствуют. Они могут быть настолько сильны, что изменят ход реакций. Таким образом, мы приходим к выводу, что рано или поздно спонтанно образовавшийся алгоритм последовательных химических реакций прервется – следствие неизбежного роста энтропии.

Но, все-таки, есть выход из этой «смертельной» ситуации. Мы должны иметь много систем, которые могут копировать друг друга. Такие системы могут быть рассредоточены в пространстве и, следовательно, случайные отклонения условий внешней среды будут влиять на них неодинаково. Время цикла их размножения должно быть меньше среднего времени срыва существующих в них алгоритмов. За это время некоторые из них успеют скопировать самих себя.