Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Кунин Евгений Викторович

Я полагаю, в позиции Поппера есть значительные достоинства. И относительно «современной синтетической теории» эволюционной биологии, и относительно дарвиновской теории одинаково верно, что фальсификация всех их концептуальных основ или всех их утверждений едва ли возможна. Однако, если не обращать внимание на ее метафизический характер как целого, эта теория порождает множество конкретных фальсифицируемых утверждений, особенно учитывая быстро увеличивающийся объем данных в геномике и системной биологии. Более того, я думаю, что рассмотрение процессов эволюции с дополнительных ракурсов (см. гл. 13) может привести нас настолько близко к пониманию эволюции, как она «на самом деле» происходила, и жизни, как она «в действительности» развивалась, насколько это вообще возможно.

Приложение II. Эволюция космоса и жизни: вечная инфляция, теория «мира многих миров», антропный отбор и грубая оценка вероятности возникновения жизни [150]

Краткое

введение в инфляционную космологию для неспециалистов

Теория «мира многих миров» (МММ), принципиально важная для космологического взгляда на происхождение жизни, представленного в главе 12, является следствием инфляционной космологии. В конце XX века она заменила собою классическую модель Большого взрыва. Инфляция – период начального, экспоненциально быстрого расширения Вселенной (Guth, 2001, 1998b). Алан Гут разработал инфляционную модель, чтобы объяснить некоторые ключевые астрономические факты, необъяснимые в рамках космологии Большого взрыва:

150

Приложение представляет собой переработанную статью E. V. Koonin. The Cosmological Model of Eternal Inflation and the Transition from Chance to Biological Evolution in the History of Life. Biology Direct 2 (2007): 15.

• плоскую геометрию наблюдаемой части Вселенной (метагалактики);

• крупномасштабную однородность космического реликтового излучения;

• локальные неоднородности реликтового излучения;

• отсутствие наблюдаемых магнитных монополей.

В самых правдоподобных, самосогласованных инфляционных моделях инфляция вечна, с бесконечным количеством островных (дочерних) вселенных (далее просто вселенных), возникающих при распаде небольших областей первичного «океана» ложного (высокоэнергичного) вакуума и составляющих вместе бесконечную мультивселенную (Guth, 2001; Vilenkin, 2007). Предсказания, полученные на основе инфляционных моделей, находятся в превосходном количественном согласии с указанными выше фактами (Guth and Kaiser, 2005). Более того, версия теории струн с населенным ландшафтом независимо приводит к похожей модели мультивселенной (Bousso, 2006; Bousso and Polchinski, 2004; Susskind, 2003, 2006a) [151] . Таким образом, хотя модель вечной инфляции не может считаться доказанной, на данный момент она является наиболее предпочтительным сценарием космической эволюции. Наблюдателям, находящимся внутри, их вселенная кажется замкнутой и бесконечной, и она содержит в себе бесконечное число не связанных между собой областей (метагалактик). Для таких наблюдателей (вроде нас) их вселенная расширяется из сингулярности (Большой взрыв), которая соотносится с концом инфляции в данной части мультивселенной.

151

Существование связи между ландшафтом в теории суперструн и инфляционной мультивселенной не бесспорно.

Модель МММ утверждает, что все макроскопические, «крупнозернистые» последовательности событий, которые не запрещены физическими законами сохранения, уже произошли (или произойдут) где-то в бесконечной мультивселенной (и даже в одной из островных вселенных) – и при этом не единожды, а бесконечное число раз (Garriga and Vilenkin, 2001; Vilenkin, 2007). Например, существует бесконечное число (макроскопически) точных копий Земли, включая все, что на ней находится, хотя вероятность, что конкретная наблюдаемая область вселенной (далее Н-область) содержит такую копию, будет бесконечно малой. Такая картина абсолютно противоречит интуиции, но является прямым следствием вечной инфляции (Guth, 2001; Linde, 1986; Vilenkin, 1983).

Гаррига и Виленкин показали, что за конечное время содержимое каждой Н-области может принять конечное количество состояний; соответственно, у любой Н-области может быть конечное, хотя и невероятно большое (порядка 10 в степени 10¹⁵⁰) число уникальных, макроскопических, «крупнозернистых» историй (Garriga and Vilenkin, 2001). В сущности, конечность числа крупнозернистых историй является следствием квантовой неопределенности (принципа Гейзенберга; Carroll, 2010; Vilenkin, 2007). Такой же вывод независимо получается при совершенно другом подходе: через так называемый голографический предел, устанавливающий максимальное количество энтропии, которое может содержаться в любой конечной области вселенной(‘t Hooft, 1993; Bousso, 2006; Carroll, 2010; Garriga and Vilenkin, 2001). Все это – вечная инфляция, конечность числа уникальных крупнозернистых историй и неизбежные квантовые флуктуации в момент Большого взрыва (точка отсчета для каждой вселенной) – ведет к простому, но поразительному заключению, что каждая история, допустимая физическими законами сохранения, повторяется бесконечное число раз в мультивселенной и, более того, в каждой из бесконечного числа бесконечных (островных) вселенных (Bousso, 2006; Vilenkin, 2007).

Теория МММ тесно связана с антропным принципом (антропным отбором), спорной, но все более популярной среди космологов концепцией. Согласно антропному принципу, единственной «причиной», по которой нашей метагалактике присущи ее индивидуальные свойства, является то, что иначе не существовало бы наблюдателя, который бы мог видеть Вселенную (Barrow and Tipler, 1988; Livio and Rees, 2005; Rees, 2001). Следует особо подчеркнуть, что я обсуждаю здесь только так называемый

«слабый» антропный принцип, единственную форму этой концепции, сколь-нибудь приемлемую для научного рассмотрения. «Сильный» антропный принцип – это телеологическая идея, согласно которой наше (человеческое) существование есть, в некотором таинственном смысле, цель эволюции Вселенной (Barrow and Tipler, 1988); в таком виде эту концепцию невозможно отнести к науке. Похоже, антропный принцип может быть реалистически определен только в контексте огромной (или бесконечной) мультивселенной (Susskind, 2006b). В частности, в теории МММ у антропного отбора есть прямая интерпретация: свойства нашей метагалактики отобраны среди огромного числа наборов параметров, существующих в мультивселенной (каждый в виде бесконечного числа копий), поскольку они благоприятны для возникновения и развития сложных форм жизни.

По сравнению с более старыми космологическими концепциями, которые рассматривали конечную Вселенную, теория МММ меняет сами понятия «возможно», «вероятно» и «случайно», относящиеся к любому историческому сценарию (см. табл. II-1). Проще говоря, вероятность осуществления любого сценария, не нарушающего законы сохранения, в бесконечной Вселенной строго равна 1. Верно и обратное: вероятность того, что данный конкретный сценарий реализован в данной метагалактике, равна частоте таких сценариев во Вселенной. Слегка изменив точку зрения, мы придаем формулировке второго начала термодинамики, вместо привычного статистического, буквальный смысл: любое нарушение этого закона, допустимое другими законами сохранения, будет иметь место – и при этом бесконечное число раз. Таким образом, спонтанное зарождение сложных систем, которое должно бы в конечной Вселенной рассматриваться как практически невозможное, становится не просто возможным, но неизбежным в теории МММ, пусть даже вероятности огромного большинства историй и были бы в данной метагалактике исчезающе малыми. Новое могущество случая, подкрепленное антропным отбором, должно иметь глубокие последствия для нашего понимания любого феномена во Вселенной, и жизнь на Земле не может быть исключением.

Вероятность случайного возникновения различных революционных систем в Н-области: грубая прикидка верхних пределов

Общие предположения: в Н-области содержится 10²² звезд, у каждой десятой есть пригодная для жизни планета; то есть имеется 10²¹ таких планет (несомненно, это сильное преувеличение; в действительности большинство звезд не имеет планет вовсе, не говоря о пригодных для жизни). Каждая планета размером с Землю, у каждой имеется пригодный для обитания слой толщиною 10 км (10⁶ см); отсюда объем этого слоя 4/3[R³– (R– l)³] 5 x 10²⁴ см³, где R – радиус планеты, l – толщина обитаемого слоя. Синтез РНК происходит в 1 % объема обитаемого слоя – то есть в объеме 5 x 10²² см³ (опять сильное преувеличение – в действительности «фабрик РНК» будет очень мало). Положим концентрацию нуклеотидов в объеме V и скорость синтеза молекул РНК размера n (свободный параметр, зависящий от специфики модели революционной стадии, далее n– мер) за 1 молекулу/см³/сек (и снова сильное преувеличение для любой молекулы сколько-нибудь значительного размера; более того, не учтена обратная зависимость от n, которая должна быть достаточно сильной). Время после Большого взрыва в данной Н-области (как верхний предел) для всех планет 10¹⁰ лет 3 x 10¹⁷ секунд. Тогда количество уникальных n– меров, опробованных за время после Большого взрыва, будет:

S 5 x 10²² x 10²¹ x 3 x 10¹⁷ 1,5 x 10⁶¹

Предположим, что для начала биологической эволюции требуется уникальный n– мер. Количество возможных последовательностей, состоящих из n нуклеотидов, N = 4ⁿ 10^0,6n.

Можно ожидать, что уникальный n– мер возникнет в Н-области E раз:

E = S/N = 1,5 x 10⁶¹/10^0,6n

и

n = log (E x 1,5 x 10⁶¹)/0,6

Подставив E = 1, получаем n 102 (нуклеотида). Заметим, что, так как величина n прямо пропорциональна логарифму S, оценка будет мало зависеть от начальных предположений о величине переменных; например, изменение S на порядок величины приведет к увеличению или уменьшению n менее чем на 2 нуклеотида.