Происхождение, часть 1. Самовоспроизводство и диссипативная адаптация

«В жизни нет ничего определённого, кроме смерти, налогов и второго закона термодинамики» (Сет Ллойд)

«Мы растём прямо пропорционально количеству хаоса, которое мы можем поддерживать и рассеивать»
«Функциональный порядок, поддерживаемый в живых системах, кажется, бросает вызов Второму закону; неравновесная термодинамика описывает, как такие системы справляются с энтропией»
«Идеи неравновесного порядка и поиска стабильности расширяют концепцию Дарвина обратно на пребиотическую стадию, давая новое определение понятию «наиболее приспособленный» (Илья Пригожин)

«Отличным способом рассеять больше энергии будет изготовление копий самого себя» (Джереми Ингланд)

«Последнее, что человек может сделать, – это гигантское действие: в воображении построить целый мир, остаться жить в этом мире и победить саму смерть» (Михаил Веллер)

Зарождение жизни – случайность ^[1] или неизбежность? Что это было: почти невероятное событие, которое произошло на планете Земля благодаря удачному стечению обстоятельств около четырёх миллиардов лет назад, или прямое следствие законов физики и один из этапов эволюции Вселенной? Неужели жизнь настолько сложна, что не могла появится сама по себе без участия создателя? Возможна ли она в принципе без специальных начальных условий Большого взрыва и «тонкой настройки» физических констант? Действительно ли появление жизни так маловероятно, что это случилось лишь однажды в одной из сотни миллиардов звёздных систем одной из сотен миллиардов галактик нашей обозримой Вселенной? Или жизнь – настолько естественное и часто встречающееся явление, что космос ею просто кишит, и даже на планете Земля она возникала несколько раз? Где, когда и как неорганическая материя впервые стала органической? Кем был последний общий предок всего живого на Земле?

Прочитав эту статью (в двух частях), вы получите ответы на все поставленные вопросы. Мы разберёмся, как законы физики переходят в законы биологии, какую роль в происхождении жизни играет термодинамика и насколько близко учёные подошли к разгадке тайны нашего происхождения, рассмотрим гипотезу диссипативной адаптации и выясним, не рано ли Дэн Браун провозгласил окончательную победу науки над религией. Сразу скажу, что здесь не будет примитивных научно-популярных историй о «маленьком тёплом прудике», первичном бульоне, ударившей в него молнии и самопроизвольном образовании из неорганической материи таких соединений, как белки и РНК ^[2]. Приготовьтесь погрузиться в механизмы абиогенеза намного глубже, пришло время полностью развеять сверхъестественный ореол вокруг этого процесса.

Конструкторская теория жизни как объяснение физической возможности самовоспроизводства

«Подобно тому, как в зерне невидимо содержится всё, что должно со временем развиваться в дерево, так следует нам представлять себе, что и мир в момент, когда Бог одновременно сотворил все вещи, содержал в себе все вещи, которые земля произвела, как возможности и как причины, прежде чем они развились во времени такими, какими их знаем мы» (Августин Блаженный)

Следовательно, теорию эволюции нужно было дополнить другой теорией, доказывающей, что лежащие в основе биологии физические процессы совместимы с законами физики, не имеющими определённого замысла. Такой теорией стала теория конструкторов, согласно которой законы физики лишь допускают возможность существования репликаторов, а не предписывают их неизбежное появление. Как мы выяснили в статье «Теория конструкторов ^[3]», Дэвид Дойч и Кьяра Марлетто переформулируют динамические законы физики на языке контрфактуалов – утверждений о том, что в принципе возможно, а что невозможно, и почему. Ключевыми понятиями теории являются задача (преобразование между входным и выходным состояниями) и конструктор (устройство, которое может надёжно выполнять задачу и оставаться пригодным для повторного её выполнения). Задача либо запрещена, либо разрешена законами физики. Во втором случае она может быть выполнена с произвольно высокой точностью при наличии необходимых знаний (программы), и для её выполнения можно создать конструктор, работающий с произвольной точностью и надёжностью. Жизнь рассматривается как набор физически возможных задач, таких как передача информации, репликация и самовоспроизведение.

Чтобы доказать, что жизнь возможна без «тонкой настройки» физических законов и не детерминирована начальными условиями Большого взрыва, Кьяра Марлетто обобщает логику ^[4] самовоспроизводства фон Неймана на квантовую теорию. Согласно Джону фон Нейману, самовоспроизводящаяся система состоит из нескольких автоматов: конструктор (A), копировщик (B), операционная система (C), дополнительные функции, не связанные с репликацией (D), и отдельное описание Φ(A,B,C,D), кодирующее все автоматы. Универсальный конструктор создаёт (декодирует) автоматы из их описания (активный режим описания); универсальный копировщик копирует описание автоматов (пассивный режим описания); мутации Φ(D’) в описании Φ(D) распространяются на набор автоматов, созданных в следующем поколении, позволяя системе продолжать реплицироваться и эволюционировать. Также для самовоспроизводства необходимы общие ресурсы – атомы и молекулы, которые могут выполнять лишь несколько элементарных задач с конечной точностью. Например, спонтанные, приблизительно самокорректирующиеся химические реакции ^[5], такие как «защёлкивание» молекул с катализаторами независимо от первоначального небольшого несоответствия. Никакое хорошее приближение к конструктору для задач, которые не являются элементарными, никогда не может быть получено общими ресурсами, действующими только на общие ресурсы.

В биологии самовоспроизводящийся организм (S) можно рассматривать как состоящий из двух компонентов: репликатора и носителя. Репликатор (R) – это унаследованный генетический материал (ДНК), содержащий информацию, которая кодирует носитель. Носитель (клетка) состоит из копировального аппарата C (РНК и полимеразы) и конструктора B (рибосомы). Чтобы получить копию самовоспроизводящегося организма из общих ресурсов N (атомов и молекул), нужно выполнить две задачи: 1) копирование – копировальный аппарат, используя репликатор в качестве шаблона, создаёт копию репликатора (R); 2) конструирование – конструктор B, используя информацию, закодированную в репликаторе R, строит новый носитель, состоящий из копии самого конструктора B и копии копировального аппарата C. Пассивный процесс копирования описания соответствует репликации ДНК, активный процесс конструирования из описания соответствует трансляции ДНК, а наследование мутированных описаний соответствует вертикальному наследованию мутаций ДНК.

Устройство, способное не только воспроизводить себя, но и выполнять любые разрешённые законами физики задачи, называется универсальным конструктором. Самовоспроизводящиеся объекты не обязательно должны быть универсальными конструкторами: их репертуар может включать лишь очень небольшое количество преобразований из множества всех возможных преобразований. Однако они должны быть конструкторами, выполняющими задачу репликации с высокой точностью. Типичным примером конструктора является катализатор – молекула, которая вызывает химические реакции других молекул и сохраняет способность вызывать их снова. В данном случае «вызывать реакцию» означает, что реакция происходит только при наличии катализатора. Большинство физически возможных преобразований осуществляются при помощи конструкторов. Но такие задачи, как репликация, требуют высокоточного конструктора, выполняющего задачу согласно инструкции (алгоритму). Чтобы сделать определённую трансформацию выполнимой со всё большей точностью, необходимо наличие знания. Знание в теории конструкторов определяется как особый тип информации, который обладает причинной силой (вызывает преобразование физических систем) и может сохраняться в физических системах (устойчива в самых разнообразных средах). Один из способов, которым знание может появиться в мире – это естественный отбор из отсутствия знания. Другой способ – это создание его человеком. И то, и другое представляет собой ненаправленный процесс проб и ошибок, включающий этапы коррекции.

Что общего между делением клетки и сборкой автомобиля на роботизированном конвейере? И то, и другое требует инструкции (рецепта), содержащей знание о том, как построить копию объекта из элементарных компонентов, следуя элементарным, неспецифическим шагам. В случае с клеткой это последовательность нуклеотидов ДНК, в случае с автомобильным заводом – алгоритм работы роботов. А как быть с микроскопическими квантовыми объектами? Можно подумать, что самовоспроизводство с конечными ресурсами нарушает квантовую теорему о запрете клонирования. Это не так, поскольку речь идёт не о клонировании (репликации) отдельного квантового состояния, а о воспроизведении подсистемы согласно инструкции, записанной в другой подсистеме. При самовоспроизводстве состояние машины не копируется целиком, копируются по отдельности его подсистемы. Самовоспроизводящийся объект S является конструктором для создания другого экземпляра самого себя, имея исходные материалы N, не содержащие ни S, ни конструкторов для S. Здесь важно понимать разницу между простым репликатором и самовоспроизводящимся устройством:

«…разница между репликатором и самовоспроизводящимся устройством заключается в том, что последнее не зависит от какого-либо механизма, кроме самого себя и законов физики, для создания нового экземпляра, тогда как репликатор зависит от механизма копирования вне себя. […] при отсутствии «настроенных» законов это означает, что точное самовоспроизводящееся устройство состоит из «носителя» и репликатора, и его самовоспроизводство происходит путём копирования репликатора и повторного создания носителя».

В 1961 г. в эссе «Вероятность существования самовоспроизводящейся единицы» физик Юджин Вигнер пришёл к выводу, что самовоспроизводящиеся системы невероятно маловероятны, возможно, даже невозможны в рамках ограничений стандартной квантовой механики, поэтому для объяснения возникновения жизни квантовая механика нуждается в модификации. Вигнер отмечал, что если унитарный объект U не «подготовлен таким образом, чтобы допускать самовоспроизводство», то бесконечно маловероятно, что в рамках квантовой теории может произойти точное самовоспроизведение специализированных объектов. Отсюда следует необходимость дополнить унитарные законы квантовой механики специальными «биотоническими» законами, «тонко настроенными» на возникновение живых систем. То есть проект будущей жизни должен был изначально содержаться в законах физики или в начальных условиях Большого взрыва. Значит, снова «шах и мат, атеисты»?

Кьяра Марлетто в статье «Конструкторская теория жизни» показывает, что Вигнер был не прав, и на самом деле самовоспроизводящиеся устройства, использующие квантовую когерентность, вполне совместимы с квантовой теорией. Ошибка ^[6] рассуждений Вигнера заключается в отождествлении математического свойства быть «нетипичным» унитарным элементом с физическим свойством содержать проект объекта. В действительности для появления репликаторов и дарвиновской эволюции достаточно «ненастроенных» законов, при условии, что они допускают наличие информационных носителей и достаточного количества общих ресурсов.

«Ненастроенными» Марлетто называет законы, которые не содержат проектов биологических адаптаций. В соответствии с «ненастроенными» законами, доступные в природе общие ресурсы и взаимодействия содержат только приблизительные конструкторы, которые можно скопировать без набора управляющих инструкций. Примерами «настроенных» законов, нарушающих это требование, являются законы, разрешающие спонтанное зарождение бактерии непосредственно из общих ресурсов, копирование конфигурации атомов бактерии на общие ресурсы или мутации, которые систематически направлены на улучшение адаптации к определённой среде. Также сюда относятся «биодружественные» законы с «тонко настроенными» константами, которые, если их немного изменить, сделали бы жизнь в том виде, в каком мы её знаем, невозможной. Значения этих констант, хотя и необходимы для жизни, не являются специфическими для жизни: их изменение сделало бы невозможными многие другие явления помимо биологических адаптаций.

Квантовая теория не является «настроенной»: начальное состояние Вселенной – это однородное состояние с низкой энтропией, а элементарные взаимодействия, разрешенные в квантовой теории, не содержат проектов биологических адаптаций. Возможны ли самовоспроизводство, репликация и естественный отбор при таких законах? Да – отвечает Кьяра Марлетто, потому что жизнь – это побочный продукт физической универсальности. Её развитие связано с ростом знания – информации о том, как выполнять задачи. Если возможно копирование информации и есть достаточно ресурсов, становятся возможными и репликаторы – системы, способные сохранять и передавать знание, что открывает пространство для эволюции и усложнения. Жизнь и её кажущийся «разумный замысел» объясняются не специальными значениями констант, а возможностью реализации определённых задач (репликации, самовоспроизведения, хранения информации); эти требования гораздо шире и не требуют тонкой подстройки физических параметров. «Замысел» в биологии – это просто физическая информация, реализованная в материальных носителях; важно не конкретное значение констант, а то, что законы допускают существование устойчивых информационных носителей и механизмов их копирования.

Точный конструктор для общей задачи совместим с «ненастроенными» законами, при условии, что он содержит репликатор с рецептом для этой задачи. Точные самовоспроизводящиеся объекты совместимы с «ненастроенными» законами, при условии, что они реализуют логику «репликатор-носитель»; отсюда следует, что точные репликаторы также возможны, и что для их работы требуется наличие самовоспроизводящегося объекта. Высокоточная репликация возможна при условии наличия носителя, который выполняет слепое копирование и коррекцию ошибок. Однако носителем не обязательно должен быть одноклеточный или многоклеточный организм, это может быть любой автомат, способный прочитать и выполнить инструкцию. Всё, что нужно для жизни, это элементарные логические операции инверсии и копирования, физический носитель информации (система, способная переключаться между двумя различимыми состояниями и передавать эти состояния), плюс достаточное количество общих ресурсов: вещества, времени и энергии.

Наконец, Марлетто показывает, что логика дарвиновской эволюции совместима с «ненастроенными» законами, поскольку изменчивость и отбор не специфичны для её конечных продуктов. Это можно увидеть, моделируя логику естественного отбора как приблизительное конструирование, субстратами которого являются популяции репликаторов, а приблизительным конструктором – окружающая среда. То есть на коротком временном масштабе самовоспроизводства репликаторы являются конструкторами, а на длительном временном масштабе эволюции они становятся субстратом. Для запуска естественного отбора не нужно готовых самовоспроизводящихся организмов с высокоточными репликаторами. Минимальное требование для естественного отбора состоит в том, что каждый тип репликатора производит в среднем по меньшей мере одного жизнеспособного потомка за свою жизнь, так что различные типы репликаторов существуют достаточно долго, чтобы быть отобранными окружающей средой. В сложных условиях для выполнения этого требования необходим механизм с множеством функций, но в несложных условиях (т.е. неизменных и богатых ресурсами) достаточно крайне неточных самовоспроизводящихся организмов, которые не только не имеют признаков замысла, но и настолько неточны, что могли возникнуть спонтанно из общих ресурсов, как это предполагается современными теориями происхождения жизни.

«Я прихожу к выводу, что самовоспроизводство, репликация и естественный отбор возможны при ненастроенных законах, единственным нетривиальным условием которых является то, что они позволяют физически воплощать цифровую информацию. … Я также показываю, что при ненастроенных законах точный репликатор требует существования «носителя», который вместе с репликатором образует самовоспроизводящийся объект».

Итак, законы физики не содержат инструкции или план жизни. Они лишь задают пространство возможного, а сама жизнь контингентна, т.е. может возникнуть, а может и нет. Наиболее общей физической закономерностью является возможность существования универсального конструктора, а возможность существование жизни – это частный случай, наряду с возможностью существования автомобильного завода, универсального компьютера, самовоспроизводящихся роботов с искусственным интеллектом ^[7] и многих других вещей. Законы физики допускают существование репликаторов и универсальных конструкторов, но не гарантируют их появление. Следовательно, возможны вселенные с той же физикой, что и у нас, где жизнь так и не возникла, потому что не реализовались нужные начальные условия или не возникли структуры, способные к самовоспроизведению. Универсальный конструктор не запрограммирован законами физики и начальными условиями, а лишь потенциально достижим самыми разными путями. Биологическая жизнь и разум – это один из способов создания универсального конструктора, но в принципе возможны и небиологические механизмы его формирования. Можно представить сценарии, где автокаталитические химические сети постепенно усложняются и достигают вычислительной универсальности, или самоорганизующиеся кристаллические структуры начинают выполнять универсальные преобразования, или примитивные бактерии организуются сразу в нейросеть без посредничества многоклеточных организмов.

«Точно так же, как жизнь не должна была становиться многоклеточной […] так и живые материалы не должны были упаковываться в дискретные, отдельные организмы […], ведущие себя как единые, целенаправленные агенты. Единственное, что действительно фундаментально для дарвиновской жизни, — это самовоспроизводящаяся, закодированная информация – гены, в терминологии жизни на этой планете». (Ричард Докинз)

Молекулярный биолог Крис Эрл в недавней статье на Medium «Почему разумный замысел ошибочен и как жизнь строит сама себя ^[8]» предлагает немного отойти от геноцентричного взгляда на эволюцию ^[9], рассматривающего организм как «машину выживания» для генов, и дополнить конструкторскую теорию жизни моделью аутопоэзиса Умберто Матураны и Франсиско Варелы. Аутопоэзис (auto- «сам» и poiesis- «производство») акцентирует внимание ^[10] на автономии живых организмов, их способности поддерживать гомеостаз несмотря на внешние возмущения благодаря клеточной мембране, отделяющей внутреннее от внешнего. Она способствует химическим реакциям, которые в противном случае были бы неблагоприятными, за счет увеличения локальной концентрации субстратов и ферментов. Крис Эрл расширяет формулировку Марлетто, включая тот факт, что общие ресурсы преобразуются в строительные блоки в процессе метаболизма, а действия конструктора являются энергозатратным процессом. Конструирование и трансформация становятся возможными благодаря использованию энергетических градиентов для выполнения полезной работы.

Крис Эрл пересматривает схему Марлетто, заменяя репликатор (R) «унаследованным генетическим материалом» (I) и добавляя считыватель (R), чтобы подчеркнуть, что биологическая информация не ограничивается ДНК, но также содержится в сенсорах и сетях белковых взаимодействий и включает химические модификации белков, влияющие на их функцию. Этот язык подчеркивает взаимозависимость конструктора и унаследованной генетической информации, которая его кодирует. ДНК не является конструктором сама по себе, гены не конструируют организм. ДНК только кодирует компоненты конструктора, выступая хранителем информации, и фиксирует изменения в течение эволюционного времени. Собственно конструктор клетки в основном состоит из белковых компонентов. Белки, формирующие клеточный метаболизм, используют энергетические градиенты (питательные вещества, фотоны, электроны), которые могут храниться в виде высокоэнергетических химических связей, доступных для выполнения полезной работы внутри клетки, включая построение клеточной мембраны, ДНК, РНК и белков. Копировщик C – это ДНК-полимеразы, которые реплицируют или строят ДНК, а также исправляют ошибки в генетическом коде. Считыватель R – это РНК-полимеразы, которые выполняют транскрипцию ДНК, плюс транскрипционные регуляторы экспрессии генов. Конструктор B – это рибосома, которая синтезирует белки, включая свои собственные субкомпоненты, и эти белки выполняют всю работу клетки (метаболизм, копирование и считывание).

Теория конструкторов не приводит конкретных деталей, где и как именно могла возникнуть жизнь. Наша планета с её историей не является чем-то исключительным, условия ранней Земли типичны в масштабах Вселенной. Жизнь могла зародиться как на Земле, так и на другой планете или даже астероиде, и быть занесенной к нам из космоса. Живым организмам не нужно быть реакторами термоядерного синтеза, чтобы получить все необходимые элементы – эту задачу уже выполнили давно погибшие звёзды, заполнившие периодическую таблицу элементов металлами. В составе метеоритов, комет и даже газопылевых облаков обнаружены строительные блоки жизни, такие как аминокислоты, нуклеотиды и липиды. Последние благодаря своим химическим свойствам самоорганизуются в воде в протоячейки (маленькие замкнутые мембраны). Циклы увлажнения и высыхания в вулканических прудах на поверхности Земли могут способствовать образованию нуклеотидных полимеров. Ещё до появления жизни на Земле законы физики могли запустить цепь всё более сложных преобразований, таких как молекулярные автокаталитические реакции, осуществляемые всё более совершенными конструкторами. Шаблонные репликаторы вроде коротких РНК-цепочек или примитивных белков копируются с низкой точностью без носителя, и у них не больше признаков замысла, чем у простых неорганических катализаторов. Но как возможно усложнение конструкторов и выполняемых ими задач, если во Вселенной работает закон неубывания энтропии – физической величины, которую называют мерой хаоса, неупорядоченности и распада?

Термодинамические гипотезы происхождения жизни

Второй закон термодинамики гласит: «…в замкнутой системе энтропия либо остается неизменной (при обратимых, равновесных процессах), либо возрастает (при необратимых, неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума». Это значит, что всё во Вселенной функционирует с единственной установкой – рассеивать энергию и увеличивать хаос. Если энергия где-то сконцентрирована – она должна быть рассеяна. За примерами работы этого закона далеко ходить не надо: кофе остывает, отдавая тепло молекулам воздуха в комнате; кубик льда тает, забирая тепло у молекул воды в чашке; вещи изнашиваются, дома рассыпаются, и даже горы постепенно рушатся под действием эрозии. Но в то же время в мире есть много сложных структур, включая нас самих, которые сохраняют устойчивость, поддерживая свою энтропию постоянной или даже уменьшая её. Мы можем наблюдать, как атомы и молекулы сами собой формируют кристаллы, песчинки под действием звуковых волн образуют фигуры Хладни, а колонии одноклеточных бактерий собираются в единый организм. Как это возможно, если Вселенная способствует увеличению энтропии? Неужели жизнь является исключением из правил и имеет сверхъестественное происхождение?

В статье «Правда и мифы об энтропии ^[11]» мы уже писали о том, что существование жизни и других сложных структур не просто не противоречит второму закону термодинамики, но и возможно только благодаря нему. Если бы энтропия росла при любых обстоятельствах, во Вселенной никогда не смогли бы образоваться сложные структуры. Но в реальности мы наблюдаем другую картину: при определённых условиях, под воздействием внешних источников энергии, материя выходит из равновесия и самоорганизуется, локально снижая энтропию. Природа как бы делает шаг назад, чтобы затем продвинуться на два шага вперёд. Физик Брайан Грин придумал для этого ленинского «танца» удачное название – «энтропийный тустеп». Наиболее очевидным примером такого поведения ^[12] вещества является жизнь на Земле. Она как бы «обходит» второе начало термодинамики, не нарушая его, поскольку упорядоченность биосферы возникает на фоне увеличения энтропии Солнца и космического пространства. Кажущееся нарушение закона неубывания энтропии обусловлено устаревшим разделением жизни и нежизни, биотического и абиотического, организмов и среды, не учитывающее, что формы жизни встроены в биосферу и окружающую среду Земли, зависят от них и эволюционируют вместе с ними. Мы подсчитываем низкую энтропию организма, но игнорируем компенсирующее её увеличение энтропии в окружающей среде. Говорят, только человек разрушает свою среду обитания. Нет, это делают все живые организмы на протяжении миллиардов лет.

Чтобы разобраться с теорией диссипативной адаптации, начнём с базовых термодинамических истин. Выделяют три класса энергии в зависимости от её качества, т.е. способности совершать работу: класс А (гравитационная, ядерная, электрическая, солнечная), класс Б (химическая) и класс С (тепловая). Процесс превращения высококачественной энергии упорядоченных процессов в низкокачественную энергию неупорядоченных процессов называется диссипацией. Для существования жизни необходимы градиенты (потоки) энергии и энтропии, т.е. разность их значений в разных частях системы. Они отсутствуют в равновесном состоянии с максимальной энтропией, но присутствуют в стационарном состоянии с постоянной ненулевой энтропией. Термодинамические системы бывают полностью изолированные, закрытые (обмениваются со средой энергией, но не веществом) и открытые. Классическая термодинамика применима только к изолированным и закрытым системам, а неравновесная термодинамика является её обобщением на открытые системы. Неравновесная термодинамика использует идеализированную модель диссипативной системы, которая потребляет внешнюю энергию и превращает её в тепло – через трение, химический распад или любой другой увеличивающий суммарную энтропию процесс.

Неравновесная термодинамика описывает системы, соответствующие следующим условиям: 1) имеет одну или несколько внутренних степеней свободы; 2) имеет некоторые измеримые макроскопические величины, которым могут соответствовать множественные микросостояния; 3) связана с некоторой внешней тепловой ванной; 4) на нее действует некоторое внешнее поле, способное совершать работу над системой. Первые три условия действуют и в классической термодинамике, а четвёртое относится уже к неравновесной. Система должна быть не просто открытой, а иметь внешний источник концентрированной, низкоэнтропийной энергии и внешний резервуар, куда можно сбрасывать деградировавшую высокоэнтропийную тепловую энергию. В простейшем виде это набор частиц, движущихся по законам Ньютона, погружённый в термостат (среду, которой можно передать произвольно много тепловой энергии) и внешний источник энергии (например, солнечный свет). Примеры систем, соответствующих всем четырём условиям: 1) чашка Петри, погружённая в термальную ванну и регулярно встряхиваемая; 2) лужа первичного бульона, способная обмениваться теплом с окружающим воздухом и землёй и периодически стимулируемая молниями; 3) Земля в целом, получающая энергию от Солнца и излучающая её обратно в космос.

 

Хорошая иллюстрация процесса самоорганизации – ячейки Бенара. Вы можете получить их у себя на кухне, когда будете нагревать плоское блюдце или сковородку с лужицей вязкого масла. Сначала ничего особенного не произойдёт, но по мере повышения энергии, протекающей через жидкость, случайные движения молекул начнут синхронизироваться и порождать упорядоченность. Сверху это будет выглядеть как структура из маленьких шестиугольных ячеек, а сбоку можно увидеть, как масло совершает стабильное и регулярное движение от подножия каждой ячейки к верхушке и обратно. С точки зрения ^[13] второго начала термодинамики такие структуры не могут образоваться сами по себе, но в данном случае этот закон не работает, потому что система не замкнута: через неё проходит непрерывный поток концентрированной энергии от кухонной плиты. Вряд ли кто-нибудь назовёт ячейки Бенара живыми организмами, хотя и те, и другие являются диссипативными, то есть рассеивающими энергию, структурами. Аналогичную природу имеют конвективные ячейки на Солнце.

В любой, даже изолированной системе, всё время происходят беспорядочные флуктуации, в ходе которых образуется небольшой локальный участок с упорядоченной структурой. Обычно такие островки порядка быстро рассеиваются, но иногда, если их структура позволяет эффективно поглощать и затем рассеивать энергию, происходит самоорганизация. Упорядоченные паттерны используют энергию на поддержание и даже усиление своей структуры, после чего сбрасывают излишки энергии в окружающую среду в вырожденном виде (более рассеянном). Из-за этого свойства их и называют диссипативными структурами. А сам принцип, допускающий под действием внешней энергетической подпитки спонтанное возникновение и поддержание порядка при условии увеличения энтропии системы в целом (включая среду), получил название «порядок из хаоса» – по заголовку одноимённой книги Ильи Пригожина.

Первым, кто догадался, что борьба живых организмов за существование ведется не за сырьё или энергию, а за производство энтропии, получаемой в результате преобразования солнечного спектра в тепло, был австрийский физик Людвиг Больцман. В конце XIX века он осознал, что жизнь, как и все необратимые процессы, зависит от диссипации обобщённого химического потенциала для своего существования. В 1930-е гг. Ларс Онсагер, а в 1940-е гг. Илья Пригожин разработали математический формализм для анализа живых систем, от самоорганизации материи в условиях неравновесных процессов до биосинтетического производства аденозинтрифосфата, понимания метаболических путей бактерий и даже описания эволюции экосистем. В 1977 г. Пригожин был удостоен Нобелевской премии по химии за «вклад в неравновесную термодинамику, в частности, в теорию диссипативных структур». Уравнение Пригожина говорит о том, что общее изменение энтропии открытой системы происходит за счёт энергообмена со средой и внутренних необратимых процессов. В стационарном состоянии оно равно 0, т.е. рост энтропии уравновешен её удалением. Согласно теореме Пригожина, при неизменных внешних условиях открытая система стремиться к стационарному состоянию с минимальным производством энтропии. Если системе позволить развиваться под воздействием наложенного внешнего потенциала, материал может спонтанно организовываться (снижать свою энтропию), образуя диссипативные структуры, которые возникают для увеличения диссипации этого потенциала (фактически увеличивая общее производство энтропии системой и её окружением).

После того, как Пригожин разработал математический аппарат неравновесной термодинамики, многие исследователи стали высказывать предположения, что с его помощью можно объяснить, как из хаоса первичного химического бульона появились упорядоченные органические молекулы, необходимые для зарождения жизни. В самом деле, жизнь полностью состоит из диссипативных структур. С точки зрения термодинамики живая система является такой же энтропийной машиной, как и паровой двигатель. Двигатели преобразуют энергию топлива в полезную работу, нагревая окружающую среду и сбрасывая в неё продукты сгорания. А жизнь преобразует энергию Солнца и питательных веществ в саморепликацию и поддержание своей внутренней структуры, выделяя лишнее тепло и отходы жизнедеятельности в окружающую среду.

Рассмотрим в качестве примера одноклеточный организм – бактерию. Она ведёт себя совсем не так, как чашка кофе или газопылевое облако. Вместо того, чтобы делиться своей избыточной энергией, клетка извлекает всё это из окружающей среды, увеличивая её энтропию. Энтропия самой клетки на протяжении основной части её жизненного цикла остаётся постоянной, поскольку при отрицательной энтропии она бы непрерывно росла и усложнялась. Поступающая извне энергия тратится на поддержание именно стационарного состояния, а её излишки возвращаются в среду. Для поддержания гомеостаза организм превращает полезную химическую энергию в бесполезную тепловую. В целом жизнь – непрерывная борьба с энтропией за сохранение своей упорядоченности. Всё живое состоит из сложных упорядоченных молекул: белков и нуклеиновых кислот, которые никогда не встречаются в неживой природе. Эти молекулы довольно хрупкие, они склонны распадаться на более простые компоненты. В конце концов так и происходит: энтропия всё-таки берёт верх, и клетка умирает. Но она ещё и умеет делиться, так что на этом всё не заканчивается.

Как вы уже знаете из моей статьи «Теория хаоса, синергетика, неравновесная термодинамика ^[14]», природа в стремлении увеличить беспорядок создаёт небольшие очаги порядка. Любые сложные структуры существуют только потому, что они способствуют более эффективной диссипации энергии. Смерч или ураган возникает как способ быстрее рассеять концентрированную область высокого давления в атмосфере, превращая её во вращательную силу. Омут является средством распределить энергию течений в русле реки. Молекулы воды организуются в снежинки или кристаллы, чтобы хаотично отражать свет во всех направлениях. Молния рассеивает энергию статического электрического заряда в облаке. Продолжая эту цепочку, можно обнаружить, что жизнь – ещё один эффективный способ диссипации энергии. Так, растения в процессе фотосинтеза поглощают концентрированную энергию солнечного света и превращают её в инфракрасное излучение. Животные потребляют организованную материю в виде пищи, получают из расщепления молекул энергию и рассеивают её в виде тепла. Особенно преуспели в этом деле люди, которые добывают ископаемые из недр Земли, высвобождая запасённую миллионы лет назад химическую энергию, или расщепляя ядра атомов урана, которые распадались бы сами миллиарды лет. Далее человечество рассеивает эту энергию самыми разными способами, в том числе запуская ракеты в открытый космос. Что же получается, все мы – просто орудия, созданные природой, чтобы ускорить наступление тепловой смерти Вселенной?

Теория диссипативной адаптации

В 2013 г. 31-летний доцент Массачусетского технологического института (MIT) Джереми Ингланд, ранее работавший в Гарварде, Оксфорде, Стэнфорде и Принстоне, вывел математическую формулу, описывающую превращение неживой материи в живую. Он обнаружил интересные следствия второго начала термодинамики при аппроксимации его на неравновесные системы, питаемые внешним источником энергии. Применив методы статистической механики к биохимии, Ингланд показал, что при сильном влиянии внешних источников энергии наиболее вероятен такой исход эволюции материи, при котором системой поглощается и рассеивается больше энергии из окружающей среды. Иначе говоря, при определённых условиях молекулы самоорганизуются, чтобы более эффективно рассеивать энергию. И если образованная структура хорошо выполняет свою задачу, то наилучший способ и дальше увеличивать энтропию – создавать копии диссипативной структуры. Это и есть ключевой принцип, лежащий в основе феномена жизни. Он показывает, что происхождение жизни вытекает из основных физических законов и «должно быть настолько же неудивительно, как катящиеся с горы камни».

Джереми Ингланд называет процесс спонтанной самоорганизации молекул под действием энергетического потока диссипативной адаптацией. Это универсальный механизм, при помощи которого изначально беспорядочный набор молекул может образовать диссипативную структуру, эффективно поглощающую энергию извне, использующую её для поддержания собственной упорядоченности и рассеивающую её остатки в вырожденном виде в окружающую среду. Теория диссипативной адаптации утверждает, что при наличии определённого воздействия (внешнего источника энергии) наиболее адаптированными (наиболее вероятными и устойчивыми) состояниями флуктуирующей системы являются те, которые имеют историю исключительно высокого поглощения работы с последующим рассеиванием тепла в окружающую среду. Поскольку рассеивание энергии является термодинамически необратимым процессом, чем выше диссипация, тем менее вероятна обратная траектория. Предпочтительным состоянием является то, которое имеет наиболее согласованное распределение диссипации по возможным траекториям его достижения. Например, для освещённой солнечным светом чашки Петри, полной атомов углерода, водорода, кислорода ^[15] и азота, из всех способов расположения этих атомов «колония фотосинтезирующих водорослей» является хорошим примером такого диссипативного состояния.

 

На первый взгляд теория Ингланда противоречит теореме Пригожина, согласно которой открытая система стремится к стационарному состоянию с минимальным производством энтропии. Но уравнения Пригожина описывает диссипативные структуры, близкие к состоянию равновесия, такие как медленно охлаждаемый или нагреваемый газ. А системы, подпитываемые мощными внешними источниками энергии, обладают куда более сложной динамикой и требуют интеграции неравновесной термодинамики со статистической механикой. В конце 90-х гг. Кристофер Яржински и Гэвин Крукс вывели т.н. «теоремы флуктуации», позволяющие вычислить относительную вероятность того, что энтропия неравновесной системы будет увеличиваться или уменьшаться в течение заданного промежутка времени. В уравнении Ингланда первый член – тепловое равновесие – описывает внутреннюю энергию системы, а второй член – вероятность обращения – описывает кинетику (например, множество стадий, необходимых для химической реакции). Уравнение подразумевает, что при определённых условиях группы атомов естественным образом перегруппировываются так, чтобы тратить всё больше и больше энергии, содействуя непрерывной диссипации.

С точки зрения статистической механики живой объект можно рассматривать как особую комбинацию атомов. Если эти атомы случайным образом перемешать, на выходе получится что-то вроде мясного фарша, поскольку существует очень мало упорядоченных комбинаций, образующих функционирующий организм. Чтобы получить доступ к химической энергии, заключённой в других организмах, комбинация атомов должна обладать определённой формой и выполнять определённые функции. Окружающая среда ставит задачу, структура её решает. Атомы самоорганизуются в определённую структуру с оптимальной для энергопотребления конфигурацией. В природе никогда не происходят энергозатратные процессы, которые требуют вложить на входе больше энергии, чем будет получено на выходе. Например, процесс нуклеосинтеза в ядрах звёзд даёт энергетическую выгоду при образовании лёгких элементов, но становится энергозатратным при достижении железа, поэтому более тяжёлые элементы образуются только во взрывах сверхновых и других экстремальных событиях. Жизнь, в отличие от нуклеосинтеза тяжёлых металлов, не является энергозатратной. Она создаётся градиентами, разрушает эти градиенты и в процессе производит больше энтропии, чем было бы без них.

Эволюцию диссипативной системы можно описать перераспределением вероятностей переходов между состояниями. Одни исходы будут вероятнее других в силу следующих закономерностей:

1. Второе начало термодинамики – энергия никогда самопроизвольно не переходит от холодного предмета к горячему, высокоэнтропийные состояния вероятнее низкоэнтропийных.

2. Кинетическая связанность – газообразные и жидкие системы легко переходят между состояниями, твёрдые кристаллические структуры – тяжело. Если представить это в виде конфигурационного пространства, где разные состояния лежат в лунках, разделённых горами, у высокоэнтропийных систем барьеры между лунками ниже, чем у низкоэнтропийных.

3. Диссипативная адаптация – система обучается максимально эффективно использовать внешнюю энергию и рассеивать её в виде тепла. В конфигурационном пространстве есть особенно глубокие «лунки» – наиболее энергоэффективные состояния. Они окружены высокими барьерами, чтобы система не могла вернуться в прежнее состояние из-за случайных термодинамических флуктуаций. Поэтому система перестраивается и приспосабливается к среде, пока не войдёт в «резонанс», как стакан, разбивающийся под действием высокого голоса оперного певца. Однако для появления жизни нужны достаточно специфические и сбалансированные внешние условия: если лунки состояний разделены либо слишком высокими, либо слишком низкими барьерами, никакой интересной эволюции не получится.

Жизнь зародилась не случайно, а в результате естественной тенденции к повышению энтропии и эффективности поглощения энергии. Диссипативная адаптация означает способность системы самопроизвольно перестроиться и приспособиться к нахождению в потоках энергии в определённом частотном диапазоне. Ингланд рассматривает проходящие через систему энергетические потоки в виде поля, поэтому учитывает не только количество протекаемой энергии, но и её частоту. В зависимости от частоты потока энергии может возникнуть резонанс с частотами самой системы. Резонанс обычно оказывает разрушительное влияние, но, если система обладает многими степенями свободы, вдоль которых она может деформироваться без разрушения, то она может изменить свои частоты, чтобы избежать резонанса, или перестроиться так, чтобы поступаемая энергия накапливалась для последующего использования. Сложная система, которая может быть переконфигурирована случайным движением, стремится к одному из двух типов состояний: либо она будет поглощать и перенаправлять поток поступающей энергии на полезную работу (построение или ремонт элементов системы), либо она оказывается неспособной поглощать энергию и остаётся в стабильной конфигурации, сопротивляясь разрушительному влиянию случайных флуктуаций.

И здесь не нужно никакой магии или сверхъестественного вмешательства: достаточно простых флуктуаций молекул в жидком растворе, чтобы они сами нашли оптимальную для рассеяния энергии конфигурацию. Они как бы «попадают в колею» и адаптируются к условиям среды, что уже является предпосылкой к дарвиновской эволюции. Тогда в игру вступает репликация: если одна группа молекул хорошо научилась потреблять, преобразовывать и отдавать энергию, то две такие группы будут делать это ещё лучше. Самовоспроизводство является очень эффективным способом автокатализа, а значит и производства энтропии. Отсюда можно сделать предположение, что первые репликаторы, то есть способные к самокопированию молекулы, образовались именно в результате диссипативной адаптации. А далее между копиями возникла конкуренция, был запущен естественный отбор, и наступила стадия молекулярного дарвинизма, предшествовавшая появлению первых живых организмов. Когда одна бактерия становится миллионом бактерий, в тепло превращается очень много химической и электромагнитной энергии. Ингланд оценивает энтропию, создаваемую при делении одной бактерии E. coli, в 3,5⋅10¹¹ кБ, а цикл деления – примерно в 20 минут, или 1200 секунд. Это означает, что обратный процесс (слияние двух бактерий E. coli в одну) должен происходить в среднем раз в 1200 (3,5⋅10¹¹) секунд.

В 2020 г. Джереми Ингланд написал научно-популярную книгу «Каждая жизнь горит. Как термодинамика объясняет происхождение живых существ», название которой точно обозначает её содержание. Сейчас Ингланд является профессором MIT и возглавляет собственную лабораторию, которая работает над компьютерным моделированием процессов самоорганизации, чтобы доказать зависимость между диссипацией и репликацией экспериментальным путём. В 2017 г. Джереми Ингланд опубликовал ^[16] статьи с результатами компьютерных симуляций, подтверждающих его гипотезу. Одна модель включала суп из 25 химических соединений, взаимодействующих друг с другом огромным количеством способов под действием солнечного света. Сеть химических реакций со случайными начальными концентрациями, скоростями реакций и «принудительными ландшафтами» (правил, говорящих, какие реакции получат подпитку внешних сил) эволюционировала, пока не достигала конечного, стабильного состояния, или «фиксированной точки». Обычно система приходила в равновесное высокоэнтропийное состояние, но при некоторых начальных условиях она останавливалась далеко от точки равновесия, прогоняя циклы реакций и поглощая максимальное количество энергии из среды. Ингланд называет эти состояния «примерами тонкой подстройки» между системой и окружением, когда система находит «редкие состояния экстремального термодинамического принуждения».

В другой статье Ингланд и соавторы, Тал Качман и Джереми Оуэн, симулировали систему взаимодействующих частиц в более сложных условиях, где специальные конфигурации атомов должны были подключаться к доступным источникам энергии. Они обнаружили, что система со временем увеличивает поглощение энергии, формируя и разрывая связи для того, чтобы лучше резонировать с движущей её частотой. Сеть реакций развивалась в таком окружении, она становилась тонко подстроенной под это окружение. Случайный набор начальных условий эволюционировал и принимал редкие состояния энергичной химической активности и экстремальной поддержки в четыре раза чаще, чем ожидалось. В статье 2021 г. «Машинное обучение ^[17] превосходит термодинамику в оценке того, насколько хорошо многочастичная система обучается управлению» Ингланд сравнивает диссипативную адаптацию с машинным обучением и рассматривает, как диссипативные системы обучаются внешнему воздействию. В статье «Низкий уровень дребезжания: прогностический принцип самоорганизации в активных коллективах» (2021) показано, что коллективные системы стремятся к состояниям с минимальными «дребезжаниями», что согласуется с идеей диссипативной адаптации, а в статье «Самоорганизующиеся вычисления в клетке, находящейся вдали от равновесия» (2022) Ингланд рассматривает клетку как вычислительную систему, которая использует неравновесные процессы для самоорганизации и адаптации.

Объясняет ли диссипативная адаптация зарождение жизни и дарвиновскую эволюцию?

Гипотеза Ингланда понравилась многим математикам и физикам-теоретикам. Она оказалась достаточно красивой и достаточно безумной, чтобы быть истинной. Но сам Ингланд, будучи ортодоксальным иудеем, а с недавних пор ещё и раввином, не стал распространять свои выводы на области за рамками науки, в частности, на вопрос о существовании Бога. За него это сделал писатель Дэн Браун, автор «Кода да Винчи» и мастер по опровержению религиозных догматов. В своём романе «Происхождение» (2017) он представил Ингланда как учёного, который «выявил физический принцип, объясняющий происхождение и эволюцию жизни» и тем самым «опроверг библейский рассказ о сотворении мира». Один из героев книги, Эдмонд Кирш, смоделировал на суперкомпьютере процесс случайного зарождения жизни по методике Миллера-Юри, но не получил ничего, кроме тех же аминокислот. Затем он перепрограммировал эксперимент, поставив компьютеру фундаментальную цель – рассеять энергию любой ценой. В результате из виртуального первичного бульона появились белковые соединения, цепи нуклеотидов и, в конце концов, простейшие одноклеточные организмы. Браун преподнёс это как величайшее научное открытие, доказывающее, что жизнь зародилась без участия Бога. На что Ингланд в интервью The Guardian сказал: «Я не писал ничего, что могло бы служить доказательством против религиозной веры. То, что сделал Браун, – это художественная интерпретация, которая не имеет отношения к моим научным работам».

Джереми Ингланд осторожен в высказываниях, он не заявляет об окончательном решении загадки происхождения жизни и полном объяснении биологических процессов на языке термодинамики. Многие критики отмечают, что он описывает необходимые, но недостаточные условия для объяснения появления жизни. Диссипативная адаптация является метатеорией, а подобные теории всего, как это почти всегда бывает, оказываются теориями ничего. Чтобы сделать симуляции менее абстрактными, нужно привести химические концентрации, скорости реакций и условия катализа к таким, которые могли существовать в приливных заводях или рядом с вулканическими трубками в первичном бульоне ранней Земли. Однако воспроизведение среды, в которой возникла жизнь – это в основном догадки и предположения, условия на ранней Земле или в клетке слишком сложные для того, чтобы исходя из принципов диссипативной адаптации можно было делать предсказания. Поэтому ещё рано делать вывод, что люди и другие организмы – всего лишь мощные энтропийные машины, порождённые вторым законом термодинамики, чтобы рассеивать всё больше энергии. Большинство биологов считают, что энергоэффективность может быть одним из критериев отбора, но далеко не решающим. Впрочем, некоторые учёные идут гораздо дальше Ингланда и ставят на первое место рост энтропии, отрицая постулат о случайности дарвиновской эволюции.

Есть гипотеза максимизации производства энтропии (MEP), рассматривающая всю биологическую эволюцию как проявление второго закона термодинамики. Этот подход развивают Арто Аннила и Стэнли Салте в статье «Физические основы эволюционной теории» (2010), Кит Скин в статье «Термодинамическая теория биологической эволюции» (2015) и Чарльз Лайнвивер в статье «Дарвиновская эволюция как продукт Второго закона: биотическое производство энтропии во Вселенной» (2024). Согласно гипотезе MEP, производство энтропии во Вселенной стремится к максимуму (dS²/dt² ≥ 0), если такое увеличение приводит к более вероятным результатам, т.е. макросостояниям с большим количеством путей, ведущих к ним. Эволюция каталитических ферментов и филогенетическая дивергенция видов приводят к различным значениям dS/dt. Большие значения обеспечивают более эффективный доступ к свободной энергии и к большему числу источников свободной энергии. Гипотеза MEP даёт термодинамическое объяснение эволюции жизни в сторону большей сложности. Более сложные организмы, с их замысловатыми метаболическими процессами и поведением ^[18], часто более эффективно улавливают и рассеивают энергию, чем более простые – например, теплокровные животные производят больше энтропии, чем холоднокровные. Поэтому биологическая эволюция определяется не столько естественным отбором, сколько эффективностью организма с точки зрения диссипации энергии.

В принципе стремление природы к увеличению производства энтропии объясняет и другие явления, необъяснимые классическим дарвинизмом: экологические сукцессии, возрастающую сложность экологических сетей, адаптивные радиации после вымирания, стабилизацию экосистемы вследствие увеличения видового разнообразия и увеличение видового разнообразия от полюса до экватора. Учитывая, что энтропия увеличивается по мере перехода системы от макросостояния с меньшим количеством микросостояний к макросостоянию с большим количеством микросостояний, вполне закономерно, что экосистема в макросостоянии с меньшим количеством видов и меньшим разнообразием видов, производящих меньше энтропии, спонтанно становится макросостоянием с большим количеством видов и большим разнообразием видов, производящих больше энтропии. Если экосистема имеет доступ к различным значениям dS/dt, большие значения dS/dt приводят к более вероятным результатам.

Известно, что сложность одних видов увеличивается, а сложность других уменьшается. На каждый сложный многоклеточный организм приходится десяток видов, которые упростились и стали паразитами, чтобы жить за счёт многоклеточного организма с его удобным потоком свободной энергии. Так, увеличение разнообразия и сложности клювов дарвиновских вьюрков облегчает им доступ к большому разнообразию орехов. В то же время увеличение разнообразия и простоты паразитов на этих вьюрках (ленточные черви, клещи и микроорганизмы) даёт этим паразитам доступ к потоку свободной энергии, из которой они могут извлекать большую часть свободной энергии из пищи, чем это было бы возможно для вьюрка без этих более простых форм жизни. Конечным результатом этих одновременных изменений в сторону сложности и простоты является преобразование большего количества свободной энергии и увеличение производства энтропии. В случае эволюции в сторону как усложнения, так и упрощения, энтропия всегда увеличивается (dS/dt > 0), и производство энтропии также увеличивается (dS²/dt² > 0).

 

Но почему мы не считаем формой жизни Большое красное пятно Юпитера – ураган, продолжающийся уже 300 лет? Никто не назовет снежинку живой, хотя она – особо низкоэнтропийное состояние материи, возникающее при конденсации водяного пара, когда происходит диссипация химической энергии в тепловую. Небиологические репликаторы возникают из градиентов и развиваются повсеместно: одни быстро, подобно разветвлённым узорам молнии, другие – медленнее, подобно турбулентным вихрям, когда сливки смешиваются с кофе, третьи возникают и развиваются на более длительных временных масштабах, от дней до тысяч лет (ураганы, течения). Однако, в отличие от биологических систем, они не накапливают информацию и не кодируют её в ДНК. Они эволюционируют детерминистически, а не по законам дарвиновской эволюции. Например, взаимосвязь между образованием ураганов и градиентами температуры, плотности, давления и влажности сегодня такая же, как и 100 миллионов или миллиард лет назад. Биологические системы отличаются тем, что хранят информацию и свободную энергию. Вследствие дифференциального размножения популяции обретают генетическое разнообразие, выступающее исходным материалом для естественного отбора. Формы жизни можно рассматривать как катализаторы, которые по мере эволюции снижают энергию активации своих метаболических реакций. Эволюционирующие катализаторы увеличивают энтропию, более эффективно используя доступную свободную энергию или открывая способы доступа к новым источникам свободной энергии, которая в конечном итоге преобразуется в энтропию в виде тепла.

По мере эволюции жизнь становится всё более эффективным катализатором, высвобождая больше свободной энергии, тем самым увеличивая энтропию Вселенной по сравнению со Вселенной без жизни. Например, энергия поступает на Землю в виде солнечного света, и часть её улавливается листьями растения. Листья фотосинтезируют, преобразуя часть солнечной энергии в химическую энергию глюкозы, а остальную часть теряют в виде отработанного тепла. Затем растение медленно сжигает глюкозу, производя ещё больше отработанного тепла; общее количество в конечном итоге равно поступающей энергии. Часть энергии никогда не доходит до листьев и просто попадает на ствол или почву, нагревая их напрямую. Наличие растительности по планете снижает её альбедо, тем самым увеличивая тепловое излучение планеты (производимая энтропия пропорциональна количеству излучаемых тепловых фотонов). Но это очень незначительный вклад в увеличение энтропии Вселенной по сравнению с безжизненной планетой, едва ли способный приблизить тепловую смерть.

В рамках конструкторской теории жизни диссипативную адаптацию можно рассматривать как задачу, выполнимую конструкторами. По мере рассеивания естественных градиентов энергии образуются структуры, которые становятся всё лучше в увеличении энтропии окружающей среды. Существует адаптивная выгода, если во время поступления энергии система преобразует энергетический поток в строительные блоки – полимеры (например, РНК) в качестве запаса энергии, который можно было бы использовать при отсутствии внешнего источника. Если имеется набор строительных блоков, различающихся по какому-либо параметру, полимер может кодировать информацию различными химическими «буквами». Так природа непреднамеренно разблокировала способность к репликации информации; следующая задача – связать её с другими процессами для кодирования знания. Новые возможности могут возникать во Вселенной благодаря свойствам определённых типов молекул. Способность к передаче унаследованной биологической информации возникает из свойств апериодических полимеров, а возможность существования клеток возникает из свойств самосборки липидов.

Тем временем Каро Михаэлян, физик из мексиканского университета UNAM, независимо от Ингланда развивает свою «Термодинамическую диссипативную теорию происхождения жизни» (TDTOL). В отличие от универсальной модели диссипативной адаптации, применимой к широкому классу систем, это конкретная биогеофизическая гипотеза происхождения жизни как средства увеличения энтропии через эффективное поглощение и рассеяние солнечного излучения. Согласно Михаэляну, жизнь зародилась и существует до сих пор в виде пигментов (хромофоров), катализаторов поглощения и рассеивания солнечного света в тепло. Органические пигменты (например, предшественники ДНК и хлорофилла) формировались под действием УФ-излучения на поверхности архейских океанов, рассеивая эти фотоны на множество фотонов в инфракрасном диапазоне. Постепенно жизнь развила более сложные диссипативные биосинтетические пути для рассеивания фотонов видимого света с большей длиной волны, но и большей интенсивностью. Полученное тепло затем может эффективно использоваться другими диссипативными структурами, такими как круговорот воды, ураганы, океанические и ветровые течения, что приводит к глобальному диссипативному процессу, известному как биосфера.

Известно, что РНК и ДНК в водном растворе являются сильными поглотителями и чрезвычайно быстрыми рассеивателями ультрафиолетового света типа С, в диапазоне длин волн 220–290 нм, проникавшего в пребиотическую атмосферу Земли. Вероятно, нуклеооснования РНК и ДНК (аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил) были древними органическими пигментами, диссипативно структурированными на поверхности ранних океанов Земли под воздействием УФ-С света, непосредственно влияющего на ковалентные связи более распространенных молекул-предшественников, таких как HCN и H₂O, тем самым преобразуя и объединяя их в основные молекулы. Не только РНК и ДНК, но и многие фундаментальные молекулы жизни (общие для всех трёх доменов) также являются пигментами, которые поглощают УФ-С излучение, и многие из них также очень быстро рассеивают свою энергию электронного возбуждения ^[19], вызванного фотонами, в тепло (внутренняя конверсия) через так называемые «конические пересечения». Нуклеиновые кислоты могли выступать в качестве молекул-акцепторов для энергии возбуждения, вызванного УФ-С излучением, молекул-доноров антенных пигментов, обеспечивая сверхбыстрый канал для рассеивания энергии посредством резонансной передачи энергии между молекулами.

Каро Михаэлян, используя формализм нелинейной необратимой термодинамики, показал, что в архее существовал термодинамический императив к абиогенному фотохимическому синтезу и распространению этих пигментных молекул по всей поверхности Земли, а также к их комплексообразованию, если это повышало эффективность глобального рассеивания фотонов. К концу архея (2,5 млрд лет назад), когда фотосинтезирующие бактерии насытили атмосферу кислородом и озоном, глобальное рассеивание УФ-С-излучения переместилось с поверхности в верхние слои атмосферы, и появление на поверхности совершенно новых форм жизни становилось бы всё менее вероятным, поскольку теперь свободная энергия фотонов, достигающих поверхности Земли (ближний ультрафиолетовый и видимый диапазоны), была недостаточной для непосредственного преобразования ковалентных связей углерода в молекулах. Таким образом, происхождение жизни ничем не отличается от происхождения других диссипативных структур, таких как ураганы и водовороты, за исключением того, что последние процессы основаны на водородных связях, а жизнь – на ковалентных связях. Михаэлян утверждает, что его теория даёт объяснения самым сложным проблемам, касающимся происхождения жизни: безферментной репликации РНК и ДНК, гомохиральности основных молекул и происхождению кодонов аминокислот.

Эффективный акселерационизм и энергоэволюционизм

Физические концепции неравновесной термодинамики и диссипативной адаптации часто обобщают на высокоуровневые эмерджентные системы вроде человеческой психики, экономики и общественных отношений, весьма далёкие от типичных диссипативных структур. Якобы развитие информационных сетей и сложных социальных организаций можно рассматривать как продолжение стремления жизни к развитию более эффективных способов рассеивания энергии. Из этого выходят довольно странные концепции, выдающие желаемое за действительное. Так, согласно концепции эфемеризации Бакминстера Фуллера, по мере развития науки и техники можно делать всё больше, затрачивая всё меньше, и этот процесс сокращения затрат в пределе приводит к тому, что можно будет делать что угодно, не затрачивая вообще ничего. Тенденцию «делать больше с меньшими затратами» Фуллер понимал как проявление термодинамического императива более эффективного рассеивания энергии. Сегодня эту идею развивает популярная среди ультраправых идеология эффективного акселерационизма (e/acc), основанная на вере в динамический процесс адаптации и стремлении ускорить достижение его асимптотического предела – технокапиталистической сингулярности. Один из авторов e/acc, известный под ником Бефф Джезос, прямо цитирует статью Джереми Ингланда «Статистическая физика адаптации», доказывая, что законы неравновесной термодинамики способствуют появлению всё более сложных, разумных и продуктивных форм жизни, а также суперорганизмов вроде стран и рынков.

Эффективный акселерационизм стремится следовать «воле Вселенной», согласно которой цивилизации всё более эффективно извлекают свободную энергию и преобразуют её в полезные ресурсы во всё больших масштабах. Вселенная представляет собой огромную самоорганизующуюся систему, постоянно развивающуюся и усложняющуюся. Эта система подчиняется законам термодинамики, согласно которым энергия не может быть создана или уничтожена, а может только трансформироваться из одной формы в другую, и во Вселенной постоянно возрастает энтропия. Эффективные акселерационисты служат Термодинамическому Богу – не личностному существу, а скорее безличной силе энтропии, ответственной за эволюцию Вселенной. Эффективные акселерационисты утверждают, что, ускоряя темпы технологического прогресса, обучая модели на графических процессорах и создавая новые продукты, мы можем создать мир, который будет более изобильным, более эффективным и более справедливым. При этом высвобождается свободная энергия, энтропия растёт, и термодинамический Бог доволен. Квинтэссенцией эффективного акселерационизма является Манифест технооптимиста, написанный венчурным инвестором Марком Андриссеном и переведенный ^[20] мною в 2023 г.

Ещё одна подобная идея – философия энергоэволюционизма Михаила Веллера, основные положения которой были сформулированы в книге «Всё о жизни» 2007 г. По Веллеру, жизнь – это преобразование энергии биологическим путём, а «вся история жизни на Земле – это история появления и развития живых существ, которые потребляли, перерабатывали и выделяли всё больше энергии, всё быстрее, всё эффективнее». Суть эволюции заключается в повышении эффективности (КПД) процесса энергопреобразования. Её закономерным итогом стало появление разума – «способности при минимальных расходах собственной энергии организовывать и запускать процесс с вовлечением в него и преобразованием принципиально не ограниченного количества энергии окружающего Космоса». «Вся субъективная и объективная деятельность человека совершенно соответствует и лежит в русле общей эволюции Космоса, которая сводится к усложнению материально-энергетических структур, повышению энергетического уровня материальных систем, и от начала Вселенной развивается с положительным балансом, в увеличивающейся прогрессии»

С точки зрения энергоэволюционизма, человек отличается от животных своей энергоизбыточностью, которая заставляет его стремиться к максимальным ощущениям и максимальным действиям. Обезьяна стала человеком, когда научилась управлять огнём. Ни одно животное Земли не способно использовать энергию окружающего мира в таких масштабах, как человек, преобразовывая Вселенную. Главная задача человечества (или постчеловечества) – совершить максимальное действие, изменить мир настолько, насколько это возможно. По мнению Веллера, наибольшее, на что мы способны – высвободить путём аннигиляции всю заключённую в веществе энергию и уничтожить Вселенную новым Большим взрывом, который даст жизнь следующей Вселенной.

Несмотря на умозрительные рассуждения о конечной цели, идея Веллера заставляет задуматься над одним вопросом. Почему предсказанный им новый Большой взрыв до сих пор не случился, если вся эволюция ведёт именно к этому? Что помешало Вселенной совершить максимальное высвобождение энергии ещё 13,7 млрд лет назад, когда происходила аннигиляция вещества с антивеществом? Почему всё оставшееся вещество сразу не коллапсировало в первичные чёрные дыры или не рассеялось продолжающейся инфляцией? Как известно по «зефирным» экспериментам, животным, детям и даже некоторым взрослым не свойственно откладывать удовлетворение своих желаний на потом, даже если им обещают за это большее вознаграждение. А природа в своём стремлении увеличить энтропию поступает иначе. Вместо того, чтобы рассеять сконцентрированную энергию одним махом, она позволяет системе устойчиво развиваться, потому что за более длительное время система преобразует больше энергии, чем будет выделено за короткое время в результате её уничтожения. Но откуда природа «знает», что лучше локально снизить энтропию сейчас, чтобы добиться её многократного увеличения глобально в будущем?

В качестве примеров можно привести массу способов быстрого и эффектного достижения максимальной энтропии. Особенно много инструментов по наведению беспорядка накоплено у сапиенсов. Кратчайший путь к энтропии – устроить очередную мировую войну и взорвать весь имеющийся в запасе ядерный арсенал, превратив биосферу Земли в радиоактивный пепел. Но зачем, если столько же энергии человечество преобразует за 5-7 лет своей мирной жизни? Суммарная мощность 13400 ядерных боеголовок составляет примерно 2000 Мт в тротиловом эквиваленте или 2-4 тыс ЭДж, а суммарное потребление энергии нашей цивилизацией составляет примерно 620 ЭДж в год. Пусть в этом примере многое зависит от наших собственных действий, но не стоит обольщаться. Природа знает тысячи способов стереть человечество с лица Земли, и остаётся только удивляться, почему она до сих пор этого не сделала. Неужели верна «гипотеза Геи» о разумной Земле? Может, планета продолжает нас терпеть, потому что наша деятельность вполне укладывается в общие закономерности эволюции?

Нет, всё гораздо прозаичнее. Конец света не наступает именно потому, что природа слепа и не может ничего «предвидеть». У неё нет никакой цели, увеличение энтропии – это просто следствие второго закона термодинамики, действующего локально здесь и сейчас. Всё, что происходит в космосе, происходит с минимальными энергозатратами. Энергия рассеивается так быстро, как это возможно в каждом конкретном случае. Даже если процесс можно оптимизировать, это происходит только эволюционным путём, то есть поэтапно методом проб и ошибок. Эволюция работает только с тем, что есть, и не может изобрести какую-нибудь адаптацию с нуля. Так же и знание не возникает из ничего. Если бы в законах физики и в исходном состоянии Вселенной было заложено знание о том, как достичь максимальной энтропии, это случилось бы уже давно. Но природа ничего не знает. Она действует по алгоритму на уровне элементарных частиц, а не в масштабе макрообъектов.

Мы тоже не знаем, как устроить новый Большой взрыв или даже просто уничтожить собственную планету. Но мы эволюционировали, накапливая знания об окружающем мире сначала на генетическом уровне, а затем и на уровне культуры. Мы первыми на Земле открыли законы физики и разгадали алгоритм, по которому работает эволюция. И будущее зависит только от того, как дальше станут развиваться наука ^[21] и технологии. Поэтому его невозможно предсказать, и никакие современные модели эволюции звёзд или галактик не покажут, до какой степени мы сможем преобразовать этот мир. Да, новый Большой взрыв был бы самым эффективным преобразованием энергии и наверняка потребовал бы самых обширных знаний о том, как его организовать. Но не исключено, что эволюция знания приведёт нас к более захватывающим событиям, например, целенаправленному созданию новых вселенных из флуктуаций вакуума. Поэтому любые знания, которые у нас есть сейчас, включая гипотезу диссипативной адаптации, актуальны для объяснения фактов из прошлого или настоящего, но бесполезны в деле прогнозирования будущего.

На самом деле теория диссипативной адаптации неприменима в масштабах Земли и тем более целой Вселенной, она не позволяет предсказать наше будущее или оценить вероятность существования жизни на той или иной планете. Казалось бы, Земля идеально соответствует критериям неравновесной открытой системы: энергия поступает в виде солнечного света, тепло уходит в невероятно холодный космос – по сути, резервуар бесконечной теплоёмкости, постоянно поддерживающий температуру 2,726 К, а спектр Земли соответствует излучению почти черного тела при 288 К, средней температуре поверхности. Но в тепловом балансе есть дополнительный член, связанный с собственным внутренним теплом Земли (в основном образующимся при распаде радиоактивных элементов), а также крайне непредсказуемый человеческий фактор. Все тонкости химии и квантовой механики, все сложности биологии и динамики популяций – всё это также присутствует в нём. Существует ли путь от куска камней, воды, аммиака и метана к миру с процветающей цивилизацией, а не просто к чуть более старому куску камней, воды, аммиака и метана, зависит от конкретных начальных условий и деталей. Меркурий получает от 4,6 до 10,6 раз больше солнечной энергии на единицу поверхности, чем Земля, и при радиусе 0,38 радиуса Земли получает и рассеивает примерно такое же общее количество солнечной энергии. И всё же на нём нет жизни, потому что диссипация энергии – не единственный фактор, определяющий её появление.

К тому же жизнь – далеко не самый эффективный механизм рассеяния энергии и повышения энтропии во Вселенной. Давайте рассмотрим таблицу, в которой приводятся оценки энтропии разных объектов. На первом месте находится космологический горизонт событий – граница, за которой галактики удаляются от нас быстрее скорости света и уже не могут оказывать на нас причинное воздействие. Как мы выяснили в статье «Пустота или полнота ^[22]», из-за ускоренного расширения Вселенной космологический горизонт является источником излучения Унру, является очень холодным тепловым резервуаром и поэтому имеет колоссальную энтропию Гиббонса-Хокинга порядка 10¹²². За ним следуют сверхмассивные чёрные дыры с энтропией порядка гугола, затем чёрные дыры звёздной массы, после них – фотоны и нейтрино, в основном в составе реликтового излучения и от звёзд, потом тёмная материя, реликтовые гравитоны, межзвёздный и межгалактический газ. Звёзды (а их, между прочим, сотни триллионов), включая пульсары и белые карлики, идут последним пунктом с энтропией порядка 10⁷⁸, а объекты помельче даже не упоминаются.

На фоне чёрных дыр вклад живых организмов в увеличение энтропии Вселенной ничтожно мал. Действительно, самый быстрый и эффективный способ увеличения энтропии – бросить предмет в чёрную дыру. Ни одна самовоспроизводящаяся система за миллиарды лет эволюции не произведёт и малой доли этой энтропии, не сводимой к погрешности округления. Как отмечает dr_s в своей статье «Предсказательная сила диссипативной адаптации» на сайте LessWrong, «Термодинамическая история Вселенной – это история горизонтов событий; всё остальное – комментарии». Или, перефразируя Элиезера Юдковского: «Вселенная не ненавидит вас и не любит вас, но вы созданы из массы, которую она может бросить в чёрную дыру».

Диссипативная адаптация не гарантирует, что наилучшим возможным саморепликатором или диссипатором являемся именно мы, а не канцелярский зажим или 3д-принтер, печатающий скрепки. У Вселенной нет предопределённой судьбы или предназначения, кроме, возможно, неизбежной тепловой смерти. «Оценивать цивилизацию по количеству производимой ею энтропии – это всё равно что оценивать блюдо, приготовленное шеф-поваром, по тому, в сколько экскрементов оно превращается». И тем более не нужно мыслить в стиле Уильяма из «Мира Дикого Запада»:

«Я думаю, человечество — это тонкий слой бактерий на шарике из грязи, летящем сквозь пустоту. Я думаю, если бы Бог и был, он бы уже давно от нас отказался. Он дал нам рай, а мы его истощили. Мы добыли всё топливо и сожгли его. Мы поглощаем и испражняемся, используем и уничтожаем. А потом сидим… на маленькой кучке пепла, выжав всё самое ценное из этой планеты, и спрашиваем себя: «Почему мы здесь?» Хочешь знать, какая у тебя цель? Это очевидно. Ты здесь вместе с остальными, чтобы ускорить гибель планеты от энтропии. Послужить хаосу. Мы — черви, пожирающие труп».

Вывод

Итак, мы рассмотрели две совершенно разные по своей природе и взаимодополняющие теории, которые объясняют происхождение жизни без необходимости содержащих её проект «тонко настроенных» законов физики. Конструкторская теория жизни Кьяры Марлетто предельно абстрактна и устанавливает только минимальный набор физически выполнимых задач (копирование и хранение информации) и объектов (носителей информации, программируемых конструкторов), чтобы эволюционирующая по Дарвину жизнь была возможна. Теория диссипативной адаптации Джереми Ингланда предлагает конкретный термодинамический механизм, как неравновесные системы могут саморганизоваться и накапливать структуру, и статистически показывает, что при наличии внешнего источника энергии такой исход наиболее вероятен. Конструкторская теория отвечает на вопрос «почему жизнь возможна?», а диссипативная адаптация объясняет, как при определённых условиях неравновесные процессы делают жизнь более вероятной, чем её отсутствие.

Существование жизни требует не точных значений физических констант или особых начальных условий, а только наличие структур и возможностей (стабильные носители информации, возможность копирования и отбора). Такие условия могут выполняться при большом диапазоне параметров, поэтому не нужно, чтобы законы физики были «тонко настроены». Теперь мы знаем, что во Вселенной с известными нам физическими законами жизнь не просто возможна, но и вероятна. Зарождение жизни – не уникальное и не случайное событие. На самом деле при определённых условиях термодинамическая система уходит всё дальше от равновесия и приобретает внутреннюю структуру. Материя во Вселенной может очень много где быть организованной в самовоспроизводящиеся структуры: в газопылевом облаке, на комете или даже на поверхности нейтронной звезды. Обнаружить их не так просто, но это дело времени.

В следующей статье мы выясним, насколько наука приблизилась к пониманию точного химического способа получения устойчивого репликатора: какие для этого нужны процессы (катализ, изоляция, энергетические циклы) и условия среды (концентрации веществ, молекулярный состав атмосферы и океана), и когда мы наконец сможем создать искусственную жизнь в лаборатории.