Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса - Бобби Азарян

Эрвин Шрёдингер, заложивший большинство основ квантовой теории, одним из первых попытался понять запутанную термодинамику далеких от равновесия систем, составляющих биосферу.

Шрёдингер разрешает парадокс жизни

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.

Расширение термодинамической теории

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