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

новой истории происхождения жизни – полностью естественной, но все же волшебной. Мы называем это естественное волшебство эмерджентностью. Первая биологическая система – отдельная клетка – возникла как диссипативная структура в далеких от равновесия условиях геохимически активной Земли. Как уже говорилось, такая самоорганизующаяся структура (а равно и все прочие диссипативные структуры) имела определенную функцию – способствовать потоку энергии и производству энтропии.

Абиогенез был не случайным продуктом одного крайне аномального столкновения молекул, а статистически неизбежным результатом эволюции автокаталитических химических систем во все более сложные формы посредством диссипативной адаптации и фазовых переходов; в конечном итоге был преодолен критический порог сложности и появилась самовоспроизводящаяся единица. В соответствии с этим нарративом жизнь возникает при наличии подходящих неравновесных условий, что наводит на мысль о том, что биологические организмы есть не только на Земле. Впрочем, жизнь может быть уникальной для планет с геохимией, подобной Земной. Это объясняет многое из того, что ранее было необъяснимо, но действительно ли мы полностью раскрыли тему происхождения и природы жизни в космосе? Является ли организм в его простейшей форме всего лишь сложным химическим водоворотом и не более того?

Ответ на этот вопрос – однозначное «нет». Поскольку свойства, действительно делающие жизнь особенной, не проявляются ни в одной другой диссипативной структуре, мы можем с уверенностью сказать, что нам все еще не хватает одного кусочка головоломки. Жизнь от всех других природных явлений, включая диссипативные структуры, отличают агентность и устойчивость к энтропийному распаду. Эти особые способности – различия, имеющие принципиальное значение для Вселенной, – можно понять, только введя понятие информации. Прежде всего именно способность получать, хранить, обрабатывать и передавать информацию отделяет живую материю от неживой. Обратившись к информации для объяснения агентности и надежности, мы можем пролить свет не только на то, как возникла жизнь, но и на то, куда она движется.

Такой подход поможет нам увидеть, насколько важна жизнь в картине мира. Если объективное значение физического явления может быть измерено величиной его космического воздействия, то как велико значение жизни? Является ли она в принципе несущественной или же играет важную причинную роль в эволюции, развитии и конечной судьбе Вселенной? Чтобы начать отвечать на этот сокровенный вопрос, мы должны мыслить о жизни как о системе обработки информации, которая вычисляет решения проблем выживания, – то есть как о вычислительной системе. Это описание применимо как на индивидуальном, так и на коллективном уровне. Биосфера, частью которой мы являемся, на самом деле представляет собой интегрированную глобальную сеть машин для обработки информации, исправления ошибок и решения проблем, которые в совокупности поддерживают жизнь и удерживают ее далеко от термодинамического равновесия.

Что такое информация?

Смещение акцента в сторону информации может показаться слишком резким отходом от термодинамического нарратива, который мы до сих пор развивали, однако это вполне логичное продолжение. Биологическая информация и термодинамика переплетены так тесно, что их невозможно разделить. Информация позволяет жизни непрерывно избегать равновесия путем извлечения энергии, самовоспроизводства, адаптации и обучения. Таким образом, в некотором смысле сама информация поддерживает каналы энергетических потоков, облегчающие производство тепловой энтропии из свободной энергии планеты. Кроме того, информация имеет прямое математическое отношение к энтропии, отлично соединяя многие очень разные, но взаимосвязанные концепции в единую космическую историю. Очевидно, нам многое предстоит объяснить, но давайте для начала разберем, что подразумевается под информацией, ведь, как и энтропия, это абстрактное понятие, которое люди могут наделять разным смыслом. Интуитивно мы все знакомы с понятием информации, потому что в современном мире мы окружены ею со всех сторон. Интернет, телевидение, музыка и журналы постоянно бомбардируют нас символами и стимулами, которые мы неизбежно обрабатываем. Зрительная и звуковая информация поступает к нам по сенсорным каналам, таким как глаза и уши, передающим ее по нервным путям к конечному пункту назначения – блоку обработки информации, который мы называем мозгом.

Однако информация делала свое дело в биологии задолго до того, как в ходе эволюции появился мозг. В школе нас учат, что каждая клетка содержит генетическую информацию, хотя такой вывод можно сделать, даже не зная, что такое ДНК. Например, из наблюдения, что младенцы всегда превращаются во взрослых, а семена – в растения, очевидно, что развитие организма направляется неким набором инструкций, заложенных в нем с самого начала. Кроме того, структурное и функциональное сходство между потомством и родителями подразумевает, что размножение – это процесс, в ходе которого передается такая информация. И, наконец, раз дети всегда выглядят немного иначе, чем их родители, братья и сестры, значит генетическая информация поступает в виде дискретных блоков, которые мы могли бы назвать «битами», некоторые из которых меняются (в результате мутации) в процессе самокопирования. Эрвин Шрёдингер осознал это и довольно подробно написал об этом почти за десять лет до открытия молекулы ДНК.

Любопытный исторический факт: Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон, открывшие химическую структуру двойной спирали ДНК, позже рассказали, что верное направление поиска им помогла выбрать книга Шрёдингера «Что такое жизнь?». Как физик Шрёдингер смог понять истинную природу биологии раньше биологов? Его идеи вытекали из размышлений о жизни с точки зрения термодинамики и информации, и именно этого нового взгляда на биологию мы будем придерживаться сейчас и на протяжении оставшейся части книги.

Объяснение жизни в терминах информации и вычислений кажется достаточно разумным, но, чтобы подход мог считаться научным, а не просто философским, мы должны иметь возможность количественно оценивать биологическую информацию и описывать ее на объективном языке математики. К счастью, у нас есть подходящие для этого инструменты благодаря развивающейся области науки под названием «теория информации».

Мера информации по Шеннону

Информация была формализована в виде четко определенной математической концепции в 1948 году, когда инженер Клод Шеннон, работавший в Bell Labs, опубликовал знаменательную статью под названием «Математическая теория коммуникации». Эта статья послужила основой, на которой вскоре была выстроена теория информации. Поскольку Bell Labs [Лаборатории Белла. – Прим. пер.], созданные корпорацией AT&T и давшие миру телефоны, в первую очередь занимались вопросами связи, Шеннон хотел понять, как с оптимальной точностью отправлять сообщения из одного места в другое по какому-либо каналу связи. Поскольку все каналы естественным образом генерируют «шум», частично искажающий закодированное в сигнале сообщение (как мы помним, природе вообще свойственно быть шумной), получатель сообщения может ожидать некоторой доли неопределенности относительно его истинного содержания.

Шеннон, однако, обнаружил, что можно уменьшить степень неопределенности, используя несколько способов «исправления ошибок», например отправляя дубликаты сообщения. Поскольку шум обычно вызывается случайными возмущениями, он влияет на каждую копию по-разному, поэтому, когда дублирующие копии сообщения принимаются