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

расширению набора источников энергии, доступных живым организмам, и сопутствующему увеличению разнообразия и сложности экосистем.

Итак, по мере того как биосфера в ходе филогенетического обучения накапливает знания, исследуется не только пространство решений, соответствующее одному виду термодинамической проблемы, но и растущее пространство проблем, каждое со своим уникальным пространством решений. Это растущее пространство конструктивных вариантов существовало в платоническом смысле с самого зарождения жизни, словно будущий сад биоразнообразия, только и ждущий, чтобы его открыли. Эволюция биосферы не является абсолютно предсказуемой или детерминированной в строгом смысле слова, поскольку стохастичность (случайность) – это неотъемлемая часть эволюции, но она определяется в статистическом смысле, в терминах предсказуемого распределения далеких от равновесия аттракторов разной степени сложности, неуклонно возникающих в результате термодинамического планетарного процесса.

Первые формы жизни, которыми, как ныне считается, были автотрофы-редуценты, представляли собой решение проблемы использования свободной геохимической энергии, поступающей из гидротермальных источников. У них была узкая задача, но репликация с мутацией в конечном итоге привела к новшествам в технологии извлечения энергии, которые в свою очередь обусловили появление множества различных видов бактерий.

После того как все эти ниши были заняты, на Земле все еще оставалась уйма неиспользованной свободной энергии, поступавшей сверху. Фотосинтезирующие бактерии – одноклеточные предки растений – стали решением проблемы того, как извлекать полезную работу из всей той солнечной энергии, что проходит через планетарную систему. А гетеротрофные организмы – организмы, выживающие за счет поедания других организмов, – были решением проблемы извлечения энергии из самой жизни. Как только у жизни возникает необходимость моделировать жизнь (особенно других агентов, обладающих причинной силой и адаптивным поведением), вычислительная задача извлечения свободной энергии становится все более трудной. По мере появления все более сложных форм жизни, которые оказываются потенциальной добычей хищников, источники пищи становится все труднее прогнозировать, и требуются более продвинутые модели мира.

Из-за необходимости моделировать друг друга, сложность плотоядных видов возрастает в результате так называемой эволюционной гонки вооружений. Газели, обнаруживающие новый способ перехитрить львов, чаще размножаются, и львы, которые оказываются достаточно умны, чтобы предугадать новую хитрость газели, тоже размножаются чаще. В случае некоторых видов само выживание требует постоянного увеличения вычислительной сложности. Эта концепция отражена в гипотезе Черной Королевы, хорошо известной эволюционистам и кибернетикам.

Эта гипотеза предполагает, что виды должны постоянно адаптироваться, эволюционировать и размножаться просто для поддержания своего существования в конкурентной изменчивой среде. Название гипотезы, выдвинутой в 1973 году, биолог-эволюционист Ли ван Вален взял из «Приключений Алисы в Стране чудес» Льюиса Кэрролла. После того как Алиса жалуется Черной Королеве, что бежит уже очень долго и не может никуда попасть, та ей отвечает: «Ну а здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте»[11]. Другими словами, некоторые виды должны постоянно эволюционировать в сторону более высокой сложности, просто чтобы остаться в игре на выживание.

Интегрированный эволюционный синтез говорит нам, что общее разнообразие видов, которое мы наблюдаем в биосфере, вытекает из мутаций, открывающих решения новых термодинамических проблем. Поскольку каждая экологическая ниша обладает различными физическими характеристиками и переменными, жизнь порождает многообразие по мере необходимости. Эволюционирующий вид познает Вселенную, даже если моделирует лишь очень малую ее часть. Учитывая, что сегодня существуют миллионы различных видов, это огромное количество знаний о том, как биологическая жизнь может выживать и процветать в различных условиях реального мира.

Законы жизни

Жизнь не стремится слишком много размышлять над проблемой избегания равновесия, поскольку размышление – это вычисления, а обработка информации требует энергии, которую можно использовать на то, чтобы дольше оставаться вдали от равновесия и таким образом иметь возможность самовоспроизводиться. Биология всегда старается использовать энергию максимально эффективно, чтобы выжать побольше полезной работы из источника ресурсов. Это значит, что по мере эволюции жизнь не просто учится лучше захватывать энергию, но и становится более энергоэффективной.

Термодинамические затраты вычислений, которые выполняет жизнь, чтобы избегать равновесия, рассчитал Дэвид Вольперт, и эти затраты близки к теоретическому пределу Ландауэра, который описывает наиболее эффективные вычисления, возможные с точки зрения энергопотребления. Эволюционное стремление делать больше с меньшими затратами называется эфемерализацией – этот термин, который ввел футурист Бакминстер Фуллер, описывает не что иное, как термодинамическую оптимизацию. Фуллер писал, что эфемерализация – это способность технологического прогресса «делать все больше и больше, затрачивая все меньше и меньше, пока, в конце концов, вы не сможете делать все из ничего». Мы не всегда это осознаем, но технологический прогресс, в частности обусловливающий и закон Мура, направлен на повышение производительности вычислений за счет повышения энергоэффективности. То же самое можно сказать и об эволюции в более широком смысле.

Интегрированный эволюционный синтез упраздняет тавтологию приспособленности, когда проблема приспособленности определяется как то, что способствует выживанию, а то, что способствует выживанию, определяется как приспособленность. С термодинамической точки зрения приспособленность – это то, насколько хорошо организм способен противостоять энтропийному распаду. Если точнее, приспособленность соответствует устойчивости воплощенной программы извлечения энергии, диссипативного канала, и не коррелирует с силой, интеллектом или даже сложностью. Быть приспособленным в эволюционном смысле не значит быть самым сильным, умным или быстрым; показательный пример – ленивец, который выживает на протяжении многих миллионов лет, несмотря на свою общую медлительность. Приспособленность – это умение эффективно использовать источник энергии и избегать угроз, способных проникнуть через марковское ограждение и нарушить целостность упорядоченной системы.

Логически рассуждая, мы можем утверждать, что мутации, подавляющие способность организма удовлетворять свои энергетические потребности, будут отбраковываться, а отбираться будут мутации, улучшающие способность использовать энергию. Это можно обобщить с помощью так называемого конструктивного закона, разработанного Адрианом Бежаном, профессором Университета Дьюка, чьи труды очень помогли человечеству продвинуться в понимании термодинамики. Этот закон Бежана гласит: «Чтобы потоковая система конечного размера сохранялась во времени [для выживания. – Прим. пер.], ее конфигурация должна эволюционировать таким образом, чтобы обеспечить более легкий доступ к протекающим через нее потокам»4.

Если вдуматься, то этот закон – переформулировка цитаты Моровица 1968 года, которая приводилась в четвертой главе: «Энергия, протекающая через систему, организует эту систему». Энергия, протекающая по химическим сетям, приводит к возникновению сложных моделей биологического строения, как если бы Вселенная была построенной специально для этого огромной фабрикой. Этот закон был в некоторой степени формализован, хотя и абстрактно, в работе Ингленда по диссипативной адаптации, а также в собственной работе Бежана, где конструктивный закон применяется ко всем видам систем – химическим, биологическим, социальным, экономическим и даже технологическим.

За семь лет до выхода в 2012 году книги Design in Nature, соавтором которой был Бежан, схожие идеи были представлены в научно-популярной книге Into the Cool: Energy