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

неизбежной жизни в мейнстрим науки, романтически описывает это в своей уже классической книге 1996 года «Во Вселенной как дома»: «Если мы, хоть это пока для нас непостижимо, действительно являемся естественными проявлениями материи и энергии, соединенными вместе в неравновесных системах, и если жизнь во всем ее изобилии обязательно должна была возникнуть – не как невычислимо невероятная случайность, а как ожидаемый ход естественного порядка вещей, тогда Вселенная поистине наш дом».

Однако мнение о том, что жизнь изначально вписана в законы природы, является экстраординарным, а, как выразился Саган, «экстраординарные утверждения требуют экстраординарных доказательств». Если жизнь действительно изначально вписана в законы природы, то почему Земля – единственная планета, на которой мы наблюдаем эту предполагаемую закономерность? Как можно говорить о вероятности существования жизни где-либо еще, если мы ограничены ничтожным размером выборки в одну планету?

Более того, если жизнь сформировалась не в результате единственного случайного события, то каков физический механизм, объясняющий, как именно скопление неживых частиц может систематически переходить в функциональную биологическую систему, и при каких естественных условиях этого следует ожидать? Действительно ли можно показать, что жизни, в физическом и статистическом смысле, было суждено возникнуть во Вселенной, на планетах, подобных Земле? Растущий объем доказательств, подтверждающих, что Вселенная априори порождает биологическую жизнь, постепенно становится неоспоримым.

Энергия как первичный организатор

Когда мы задаемся вопросом, как возникла жизнь, мы на самом деле спрашиваем, как неорганизованная материя вдруг стала организованной. В повседневных условиях спонтанная организация не происходит. Вещи не организуются сами по себе, и если никто не вмешивается, то комнаты становятся более грязными, здания разрушаются, а сложные структуры постепенно распадаются. Итак, благодаря чему могла возникнуть организация до появления каких-либо существ, способных ее выстроить или поддерживать?

Простой ответ на этот сложный вопрос: благодаря энергии. Энергия – это фундаментальная организующая сила природы, а Вселенная, насыщенная потоками энергии, – это космос, готовый к усложнению. Как упоминалось во введении, именно концентрированный поток энергии, проходящей через материю, упорядочивает неживые элементы в такую конфигурацию, которая является «живой». Повышая самоорганизацию, поток энергии постепенно превращает скопление бездумных молекул в механизм обработки информации, обладающий агентностью, то есть способностью к целенаправленному действию, которое мы ассоциируем с жизнью.

Агентность – это свойство, отсутствующее в мире неживых вещей, таких как камни и стулья, которые не двигаются, если их не толкнуть. Агентность раньше приписывалась мистической силе, ведущей жизнь к некой великой цели, но, как мы увидим к концу первой части, агентность обусловлена обработкой информации, выполняемой биологическими механизмами. Поскольку живые существа обладают агентностью, их также называют агентами. Поток энергии создает агентов из неживой материи, организуя химические системы в автономные вычислительные машины, которые собирают информацию о мире и используют ее для сохранения и дальнейшего распространения жизни.

Хотя может показаться, что речь идет о каком-то мистическом процессе, на самом деле мы говорим об энергии именно в том виде, в каком она определяется традиционной наукой. Ее можно обнаружить и измерить. Стремление текущей энергии к упорядочению является совершенно естественным, но, что удивительно, концептуально оно не сильно отличается от старого понятия élan vital – «жизненной силы», оживляющей неодушевленное. Можно сказать, что энергия организует материю в жизнь, а жизнь организует информацию в знание. И именно знание делает Вселенную доступной для восприятия разумной жизнью. Или, если занять менее антропоцентрическую позицию, именно знание позволяет Вселенной постигать саму себя посредством разумной жизни. Мы должны помнить, что мы не отделены от природы, а являемся ее функциональным проявлением.

Чтобы на удовлетворительно высоком интеллектуальном уровне понять, как работает этот процесс формирования жизни и знаний, мы должны сначала немного познакомиться с разделом физики о потоках энергии – термодинамикой. Возможно, это самая сложная часть всей нашей космической истории, но она того стоит, поскольку она объяснит тайну возникновения жизни и вооружит нас понятийными инструментами, необходимыми для осознания той важной роли, которую она неизменно играет в процессе эволюции космоса.

Если конкретнее, то нам предстоит взяться за грозный второй закон термодинамики, который, казалось бы, противоречит идее о том, что сложность – биологическая или иная – может сохраняться и нарастать без ограничений. Если бы это действительно было так, это сделало бы жизнь преходящим явлением без всякого космического значения – «химической грязью», как однажды выразился Стивен Хокинг. Но интересно, что этот фундаментальный закон не противоречит концепции постепенно усложняющейся Вселенной. Более того, второй закон термодинамики совершенно необходим для понимания того, почему сложные адаптивные системы, такие как жизнь, возникают и распространяются вполне естественным образом.

2

Энергия, энтропия и парадокс жизни

С давних пор это явление представляет для ученых неразрешимую загадку: существование спонтанного порядка во Вселенной ставит их в тупик. На первый взгляд, законы термодинамики диктуют обратное: подчиняясь им, природа должна была бы неуклонно деградировать в сторону все большего беспорядка, все большей энтропии. Однако мы наблюдаем вокруг себя множество величественных структур – галактики, клетки, экосистемы, людей, – которым удается каким-то образом собирать самих себя[2].

Стивен Строгац. Ритм Вселенной.

Как из хаоса возникает порядок

Через несколько миллиардов лет после Большого взрыва порожденная им Вселенная внезапно пробудилась от долгого сна. Этот волшебный момент настал, когда на безжизненной планете спонтанно зародилась жизнь. Чтобы понять, как и почему это событие произошло на Земле и насколько распространенной может быть жизнь во Вселенной, мы должны углубиться в раздел науки, известный как термодинамика, который является не только важнейшей частью физики и химии, но, как мы узнаем, и биологии. Особый интерес для нас представляет такой принцип функционирования природы, как второй закон термодинамики.

Прежде чем перейти к частностям запутанного второго закона, давайте начнем с его собрата попроще – первого закона термодинамики. Первый закон гласит, что энергия изолированной системы постоянна. Она может быть преобразована из одной формы в другую, но она не может быть создана или уничтожена. Изолированная система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Абсолютно изолированные системы редки, если они вообще существуют в природе, потому что энергия течет повсюду вокруг нас, излучаемая наружу звездами и планетами с ядрами, выделяющими тепло. Наиболее частым примером изолированной системы является термос, который удерживает тепло внутри и так сохраняет ваш кофе горячим. Является ли сама Вселенная изолированной системой – вопрос сложный, поэтому мы вернемся к нему позже.

Энтропия: сложный и сбивающий с толку термин

Первый закон достаточно прост для понимания, а второй закон