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

действием энергии. Но по-настоящему сильно научное сообщество взволновалось в 2017 году, когда Ингленд и его коллеги продемонстрировали механизм с оригинальным применением современных технологий. Компьютерное моделирование позволило им в цифровом виде построить «игрушечные» химические сети, за которыми можно было визуально наблюдать по мере того, как они постепенно выводились из равновесия.

Увиденное поразило Ингленда и его коллег. В ответ на имитированный поток тепловой энергии или индуцированный химический градиент случайно распределенные «молекулы» начинали постепенно выстраиваться в упорядоченные коллективные построения, которые следовало бы считать крайне невероятными с классической термодинамической точки зрения Больцмана. Если конкретнее, то взаимодействующие химические элементы самособирались в сплоченные конфигурации, позволявшие сети частиц более эффективно поглощать и рассеивать поступавшую в систему свободную энергию. Другими словами, выведение системы из равновесия привело к тому, что рудиментарная диссипативная структура не просто возникла, но и эволюционировала.

Ингленд назвал этот процесс адаптацией, потому что те конфигурации, к которым эволюционировала возникшая молекулярная система, лучше резонировали с частотой источника энергии, приводившего их в движение. Можно сказать, что эти конфигурации были более «приспособлены» к выживанию, поскольку лучше поглощали свободную энергию, которая поддерживала существование системы. Результаты были очевидны: при определенных далеких от равновесия условиях случайно ориентированная система молекул наверняка будет эволюционировать к конфигурации, которая является более сложной и точно подстроенной под окружающий энергетический ландшафт. Внезапно стало казаться, что теория Дарвина все-таки может что-то рассказать нам о происхождении жизни, но было ясно, что ее придется расширить, включив в нее диссипативную эволюцию и другие негенетические формы адаптации.

Хотя абстрактная цифровая демонстрация Ингленда, возможно, не совсем отражает то, как самоорганизуются реальные химические сети (моделирование всегда является грубым упрощением чрезвычайно сложных систем реального мира), недавние физические эксперименты, независимо проведенные другими исследовательскими группами, продемонстрировали тот же фундаментальный процесс, и многие из этих исследований были опубликованы до теории Ингленда. Например, в ходе эксперимента 2013 года, результаты которого были опубликованы в онлайн-журнале Scientific Reports, группа ученых из Японии доказала, что простое освещение кластера наночастиц серебра приводит к их самосборке в более упорядоченную коллективную структуру, обладающую способностью улавливать и рассеивать больше энергии от источника света.

За этим последовали более удивительные работы, например исследование 2015 года, опубликованное в журнале Physical Review E и продемонстрировавшее диссипативную адаптацию на макроскопическом уровне. Когда токопроводящие шарики помещали в масло и подавали напряжение постоянного тока от электрода, шарики совокупно образовывали сложную диссипативную структуру с «червеобразным движением», которое сохранялось до тех пор, пока через систему протекала энергия. Более того, эта эмерджентная структура избегала конфигураций, снижавших доступную энергию, и двигалась к позициям, в которых достигался обратный эффект. Авторы назвали это энергопоисковым поведением.

Это позволяет предположить, что диссипативная адаптация может являться механизмом, приведшим к появлению того, что мы считаем агентностью, намерением и целью, – эту идею мы подробно рассмотрим в шестой главе, где объясняется, как термодинамический процесс, описанный Инглендом, может создавать информацию и обеспечивать обработку информации, или вычисления.

Хотя диссипативная адаптация происходит задолго до того, как у системы появляется генетический материал или способность к самовоспроизведению и мутации (условие дарвиновской эволюции того типа, к которому мы привыкли), простая химическая система действительно подвергается такой термодинамической эволюции, которая включает слепую вариацию и естественный отбор. По мере того как совокупность молекул выводится из равновесия, ее коллективная форма быстро переходит через несколько различных структурных и функциональных построений. Из этих многочисленных вариантов «выживают» только те конфигурации, которые позволяют эмерджентной диссипативной системе извлекать энергию, необходимую для ее сохранения, а все остальные игнорируются и «забываются» системой. Более того, поскольку конфигурации, рассеивающие больше энергии, производят больше энтропии, они, как правило, более необратимы из-за второго закона термодинамики и односторонней направленности времени, которую он обусловливает.

Если кратко, то второй закон благоприятствует появлению и сохранению все более сложных и функциональных механизмов извлечения энергии, а когда эти механизмы становятся достаточно сложными, мы называем их организмами. В статье 2017 года, написанной в соавторстве с физиком Сюзанной Стилл, подсчитано, что шансы на появление жизни на планете значительно возрастают по мере того, как система все больше отдаляется от термодинамического равновесия2. Это говорит о том, что на планетах с термодинамикой и геохимией примерно как на ранней Земле практически гарантировано возникновение и эволюция жизни. Следовательно, мы больше не можем считать жизнь счастливым случаем вселенского масштаба.

Самоорганизация, движимая диссипацией энергии, может казаться волшебством, но для нее не требуется никакой сверхъестественной силы. Она имеет термодинамическое происхождение, дарвиновскую природу и поддается математическому описанию. Способность энергетических потоков к образованию порядка навевает мысли о нью-эйдже с его мистической и псевдонаучной историей происхождения жизни, однако это не отменяет того факта, что природа действительно так устроена.

Коллективный автокатализ активизирует сотворение жизни

Хотя имитационные исследования Ингленда и аналогичные физические эксперименты наглядно демонстрируют, как скопление молекул может самособираться в упорядоченную структуру с поведением, внешне напоминающим живую материю, диссипативная адаптация не объясняет всего, что нам нужно. Даже самая простая клетка содержит много тысяч комплексных молекул, участвующих в затейливом и чрезвычайно хорошо скоординированном химическом танце. Итак, встает вопрос: как маленькая химическая система превращается в обширную биохимическую сеть, достаточно сложную для осуществления метаболизма и самовоспроизведения? Системе нужен способ быстро увеличивать свой размер и химическую сложность, и вот тут-то в дело вступает диссипативный процесс под названием «автокатализ».

Автокатализ можно рассматривать как процесс, позволяющий химической системе быстро самовосстанавливаться или самостоятельно увеличиваться в размерах и сложности посредством ряда взаимосвязанных реакций, создающих петлю положительной обратной связи. Кажется, что это непросто понять, но мы можем представить себе самый примитивный вариант такого процесса, чтобы проиллюстрировать, как он может протекать в теории. Вообразите «химический бульон» в колбе, наполненной несколькими типами простых молекул. В ходе случайных взаимодействий или какого-либо механизма, подобного диссипативной адаптации, маленькая молекула А вступает в реакцию с маленькой молекулой В, образуя более крупную молекулу С. Но молекула С особенная, потому что она оказывается катализатором – ее присутствие естественным образом ускоряет реакцию между молекулами типа А и В, что в свою очередь быстро приводит к увеличению количества С. В этом сценарии образование единственной молекулы С, которое произойдет в какой-то момент просто из-за молекулярных колебаний, запускает быстрый и мощный цикл, создающий все больше и больше сложных молекул из более простых ее предшественников. Это и есть автокатализ.

Но как именно это может привести нас от простой химической сети к чему-то столь сложному, как живая клетка? Что ж, можно представить себе сложный набор разнообразных молекул, осуществляющих коллективный автокатализ, тем самым генерируя все более обширную сеть реакционных циклов – взаимосвязанных и самоусиливающихся. Пол Дэвис, авторитетный