Большая история
Шрифт:
Энергия и жизнь! Помню, в Австралии я наблюдал, как мои дети превращают энергию бутербродов с веджимайтом [48] в бурную энергию движения, бегая по саду. Можно даже измерить скорость, с которой течет свободная энергия (в том числе из бутерброда с веджимайтом), превращаясь в энергию речи, бега и, наконец, тепловую энергию, причем энтропия на каждом этапе растет. Человек в среднем употребляет 2500 калорий в день, это около 10,5 млн джоулей (джоуль – мера работы энергии; одной калории соответствует около 4184 джоулей). Поделите это на 86 400 секунд в день, и получится, что человек каждую секунду задействует около 120 джоулей. Это «номинальная мощность» человеческого существа: 120 ватт, чуть больше, чем у обычной лампочки [49] .
48
Веджимайт – паста-спред на основе дрожжевого экстракта, австралийский национальный продукт.
49
Как
Жизнь с ее вечными попытками дать энтропии отпор представляет собой новый вид и новый уровень сложных явлений. В теории сложных систем объекты этого уровня иногда называют сложными адаптивными системами. До сих пор мы говорили о сложных физических системах: поведение их составляющих обычно можно прогнозировать, исходя из основных правил действия Вселенной; составляющие же сложных адаптивных систем выглядят так, как будто у них есть собственная воля. По-видимому, они следуют дополнительным правилам, которые выявить уже труднее. Действительно, сложные адаптивные системы, например бактерии, ваша собака или международные компании, ведут себя так, как будто каждая их часть – это действующее лицо, агент с собственной волей, так что каждый элемент постоянно подстраивается под поведение множества других. В результате они ведут себя чрезвычайно сложно и непредсказуемо [50] .
50
John Holland. Complexity: A Very Short Introduction. Oxford: Oxford University Press, 2014. P. 8. В сложных адаптивных системах «элементы не зафиксированы. Обычно называемые агентами, они учатся или приспосабливаются в ответ на взаимодействие с другими агентами».
Упомянув так называемых агентов, я протащил сюда новую идею, которая будет становиться все важнее, – идею информации. Когда агенты реагируют друг на друга, они реагируют на информацию о том, что происходит вокруг них, в том числе о том, что делают другие агенты. Если считать информацию персонажем нашей современной истории происхождения мира, то она будет действовать под прикрытием, маскируясь, будет управлять событиями, сама оставаясь в тени. Энергия вызывает изменения, ее работу обычно можно увидеть, но информация управляет изменениями, часто из-за кулис. Как пишет Сет Ллойд: «Энергия заставляет физические системы что-то делать, а информация говорит, что именно нужно делать» [51] [52] .
51
Перевод А. Стативка.
52
Seth Lloyd. Programming the Universe. New York: Knopf, 2006. P. 44.
В самом общем виде информация заключена в правилах, которые, ограничивая количество возможностей, влияют на результат. Одно из самых известных ее определений – это «различие, которое вызывает различие» [53] . Правила определяют, какие из всех мыслимых изменений действительно возможны в определенное время в определенном месте, и это дает различные результаты. Информация начинается с законов физики, базовой операционной системы нашей Вселенной. Они направляют изменения по определенным путям, например туда, где в итоге гравитация создала первые звезды. Информация в этом самом общем смысле ограничивает возможности, а значит, уменьшает степень случайности. Поэтому кажется, что чем больше информации, тем меньше энтропия, тем меньше потенциал беспорядка, который последней так люб. Такая информация универсальна, это правила, встроенные в каждую крупицу материи и квант энергии. Гравитации никто не говорил, что делать, она просто взялась за работу.
53
Gregory Bateson, cited in Luciano Floridi. Information: A Very Short Introduction. Oxford: Oxford University Press, 2010, loc. 295, Kindle.
Но в бытовом смысле слово «информация» означает нечто большее, чем правила. Это правила, которые считывает человек, агент или предмет, – собственно, какая-то сложная адаптивная система. Информация такого рода появляется, потому что многие важные правила не универсальны. Они изменяются в зависимости от места и времени, как законы человеческого общества. С развитием Вселенной возникли новые среды, например глубокий космос, облака космической пыли и поверхность каменистых планет. В этих средах действовали собственные местные правила, которые не были универсальными. Местные правила приходится читать, расшифровывать или изучать, подобно тому как перед поездкой в Монголию следует выяснить, по какой стороне дороги ездят местные водители (кстати, по правой).
Сложные
54
Daniel C. Dennett. Kinds of Minds: Towards an Understanding of Consciousness. London: Weidenfeld and Nicolson, 1996. P. 82.
Локальные условия нестабильны, так что живым организмам приходится постоянно наблюдать за средой внутри и снаружи самих себя, чтобы отмечать существенные изменения. При этом по мере усложнения им нужно все больше и больше информации, ведь у более сложных структур больше движущихся частей, а между частями больше связей. У кишечной палочки, бактерии, которая, скорее всего, благоденствует у вас в кишечнике, пока вы это читаете, на движение и восприятие отведено около 5 % молекулярных ресурсов, но в вашем теле большинство органов прямо или косвенно занимается либо восприятием, либо движением, начиная с мозга и заканчивая глазами, нервными волокнами и мышцами [55] . Существует широкий спектр систем, собирающих и анализирующих информацию, самая передовая из них – современная наука, а начались они с примитивных органов чувств древнейших одноклеточных организмов.
55
David S. Goodsell. The Machinery of Life, 2nd ed. New York: Springer Verlag, 2009, loc. 700, Kindle.
Разумеется, энтропия зорко следит за всем этим. Если более высокий уровень сложности означает большее количество информации, то, повышая и то и другое, вы снижаете энтропию с ее неопределенностью и беспорядком. Это не проходит незамеченным. Энтропия потирает ручки, думая об энергетических налогах и пошлинах, которые она сможет брать с ростом сложности и количества информации [56] . На самом деле есть мнение, что идея жизни ей вообще-то нравится (и что, возможно, она поощряла ее возникновение во многих частях Вселенной), потому что живое расходует свободную энергию гораздо активнее, чем неживое.
56
«Любой процесс, который порождает структуру, увеличивает количество скрытой информации, присущей этой структуре, что соответствует снижению энтропии (уменьшению числа микросостояний)». См.: Anne-Marie Grisogono. (How) Did Information Emerge? // From Matter to Life: Information and Causality. Sara Imari Walker, Paul C. W. Davies, George F. R. Ellis (ed.). Cambridge: Cambridge University Press, 2017, chapter 4, Kindle.
Объяснить, как возникла жизнь на Земле, и попытаться понять, могло ли что-то похожее появиться в других местах Вселенной, – это одна из самых сложных задач в современной науке. На данный момент нам известна лишь одна планета, на которой есть жизнь. Астробиологи ищут живое в других местах в рамках программы поиска внеземных цивилизаций SETI, которая начала свою работу в 1960 году, но до сих пор ничего не нашли. Пока что нам приходится ограничиваться тем, чтобы изучать происхождение жизни на Земле. Это уже очень сложно, потому что для этого нужно выяснить, что происходило на нашей планете почти 4 млрд лет назад, когда все здесь было совершенно другим.
Определение жизни
Имея на руках всего один образец, трудно даже понять, что вообще такое жизнь. Что отличает живое от неживого? Дать определение жизни не легче, чем понятию сложности или информации, и, по-видимому, между живым и неживым проходит туманная пограничная зона.
Большинство современных определений жизни на Земле включают в себя следующие пять характеристик:
1. Живые организмы состоят из клеток, окруженных полупроницаемой мембраной.
2. У них есть метаболизм (обмен веществ) – механизмы захвата и использования потоков свободной энергии из окружающей среды, которые позволяют, перестраивая с их помощью атомы и молекулы, получать сложные динамичные структуры, необходимые для выживания.
3. Они могут приспосабливаться к изменениям в окружающей среде с помощью гомеостаза, используя информацию о внутренней и внешней среде и механизмы, позволяющие на нее реагировать.
4. Они могут воспроизводиться, создавая с помощью генетической информации почти точные копии самих себя.
5. У копий есть незначительные отличия от родителей, поэтому за много поколений свойства живых организмов постепенно меняются по мере того, как те развиваются и приспосабливаются к изменениям в окружающей среде.