Жизнь и разум - однородное продолжение законов

неживой природы

Доктор физико-математических наук А. ХАЗЕН.

В науке господствует представление, что жизнь на Земле возникла и развилась как некая гигантская флуктуация, направленная против второго начала термодинамики, то есть как явление уникальное. Естественно, что вероятность возникновения такой флуктуации где-нибудь еще во Вселенной и даже на других планетах Солнечной системы считалась исключительно малой. В отношении Марса давление новых данных в пользу существования на нем жизни оказалось столь велико, что этот довод "против" предпочли забыть.

Жизнь должна возникать не вопреки стремлению к беспорядку, выражаемому вторым началом термодинамики, а как его следствие, то есть в результате увеличения беспорядка. Тут читатели возмутятся. Симметрия и красота хвоста павлина, идеальная гидродинамика дельфина, совершенство и сила льва, наконец, разум человека со всей его поэзией, музыкой, картинами, наукой, техникой, компьютерами и Интернетом, полетами в космос - это рост беспорядка?! Да не может такого быть потому, что не может быть никогда!

Возмущения человека природе безразличны. В работах [3]-[8] впервые исчерпывающе показано, что вероятность появления жизни во Вселенной высока потому, что она подчиняется одному из основных законов неживой природы - второму началу термодинамики. Жизнь есть результат самопроизвольного стремления процессов природы к максимуму беспорядка, описываемого физической характеристикой, именуемой энтропией. Жизнь возникает закономерно и практически мгновенно в планетарных масштабах времени, как только сделать это позволяют условия на планетах.

Представления о порядке и беспорядке из повседневной жизни воплотил в математическое определение энтропии Людвиг Больцман в 1872 году.

Порядок в быту - это когда любой предмет лежит на своем единственном месте, в ящике или на полке. Соответственно беспорядок, когда он может оказаться случайно в любом из возможных таких мест. При этом неважно, о каких "предметах" идет речь - об атомах в газе, клетках в организме или буквах в тексте. Подсчитаем число всех "случайных мест" (его определяет арифметическая операция "перестановка") и примем его в качестве количественной меры беспорядка. Подсчет вариантов-перестановок с ростом количества "мест" и "предметов" быстро приводит к астрономическим числам. Но если использовать их логарифм, длинные ряды цифр исчезнут: даже логарифм числа элементарных частиц во Вселенной не превышает ста. Этот логарифм числа возможных состояний и есть пугающее многих слово - энтропия. Самопроизвольности ее роста требует второе начало термодинамики.

Здесь возникает парадокс. Если система достигла равновесия, рост энтропии прекращается. Этим, казалось бы, задается предел любых форм развития. Термин "энтропия" придумал в 1865 году немецкий физик Рудольф Клаузиус. Он же первым сформулировал этот парадокс в виде предположения о неизбежной "тепловой смерти" Вселенной. О недоверии к этой гипотезе написано много, но остались без внимания довольно простые вещи. В природе постоянно встречаются случаи равновесия ее объектов. Например, горные породы есть "тупик равновесия" для составляющих их элементов, кристаллы - для ионов или атомов решетки. Как же тогда возможно непрерывное развитие даже сравнительно несложных объектов, не говоря уже о Вселенной? В порядке ответа считается, что с помощью подвода энергии извне, нарушающего равновесие, парадокс устраняется. Известный ученый, лауреат Нобелевской премии Илья Романович Пригожин назвал это "от существующего к возникающему". Однако все "возникающее", таким образом, оказывается не более чем "остановками" на пути к "тупику равновесия".

Разрешение этого парадокса дано в уже упомянутых работах. Развитие в природе происходит на основе цепочки: случайности - условия - запоминание. Синонимом запоминания в природе служит устойчивость ее объектов и процессов. В частности, критерии, позволяющие определить устойчивость, сформулированы известным российским математиком и механиком Алексеем Андреевичем Ляпуновым. Для определения устойчивости используются функции, которые названы в его честь. Например, для устойчивости шарика на дне лунки функцией Ляпунова служит потенциальная энергия. Наиболее часто функцией Ляпунова служат энтропия и ее приращения. "Возникающее" Пригожина соответствует случаям устойчивости при максимуме энтропии. В природе существуют объекты с размножением. Начало им дает единственный элемент со своими признаками. Соответственно для него как единственного беспорядок (то есть энтропия) равен нулю, минимален. С ростом числа новых элементов энтропия растет. Старый "тупик равновесия" преодолен путем роста энтропии. Парадокс устранен. Но рост энтропии (беспорядка) происходит по отношению к новым признакам системы.

Отсюда для развития в природе получается иерархия цепочек: случайности - условия - запоминание . В результате происходит непрерывное развитие, в процессе которого энтропия растет, но иерархическими ступенями. На каждой из ступеней элементы отличаются новыми характерными признаками и условиями для них, что гарантирует непрерывность развития, несмотря на тупики равновесия.

На каждой следующей ступени диапазон изменения энтропии (беспорядка) меньше по сравнению с предыдущей. Вот почему нам кажется, что жизнь, человек, его разум и творчество возникли и существуют в результате увеличения порядка, хотя на самом деле растет беспорядок.

Свойства энтропии позволяют произвольно установить первую ступень отсчета иерархии ее роста. Например, ступени можно начать от атомов. От конфигурации их электронных оболочек зависит беспорядок мест, занимаемых атомами в молекулах. В результате получается список химических элементов, наиболее характерных для всех форм жизни. С их участием формируются специфические для жизни биомолекулы. В составе клеток они гарантируют дальнейшие превращения, сопровождающиеся ростом энтропии.

Соединения на основе 20 аминокислот и 5 нуклеотидов способны образовывать огромное число сложных органических соединений. Это становится источником случайностей (беспорядка) для преодоления еще одного тупика равновесия, в котором участвуют РНК и ДНК.

Об РНК и ДНК, об информации, которую они несут, о генетическом коде, о комбинациях кодонов, с помощью которых он реализуется, большинство читателей слышали. Однако самое простое про них забывают. Все прочие молекулы - это наиболее энергетически выгодные "упаковки" атомов. Они могут либо участвовать в химических реакциях, либо разрушаться. Молекулы РНК и ДНК от них принципиаль но отличаются. Произвольные перестановки кодонов внутри них создают новые признаки, новые случайности, новую ступень иерархии роста беспорядка.

Возникновение РНК, образование ДНК кажется непостижимым чудом роста упорядоченности. Однако для природы это только возможность реализовать дополнительный беспорядок за счет произвольных перестановок кодонов и вследствие этого - изменения химических реакций. Такое соответствует второму началу термодинамики, а потому обязательно реализуется, как только возникают природные условия, в которых РНК и ДНК могут существовать. Благодаря этой сугубо физической и химической особенности РНК и ДНК природа организует рост беспорядка путем, невозможным для любых других молекул. Но и тут бы возник очередной тупик равновесия, если бы не дискретность комбинаций кодонов в РНК и ДНК (генетический код), отличающая принцип их участия в химическом катализе.

С математической точки зрения оптимален код (алфавит), основание которого выражается иррациональным числом, округленно равным 2,7. В современных компьютерах используется целочисленный двоичный алфавит. Ближе к оптимальной величине, а потому эффективнее, число 3, но случайные и технологические причины прошлого заблокировали развитие созданных Н. П. Брусенцовым в МГУ троичных компьютеров. Основание генетического кода - число 4. От "хорошего" алфавита это далеко. Более того, в нем есть недостатки, которые не пропустил бы ни один инженер, проектирующий аппаратуру связи. В результате возникает следующая ступень роста беспорядка, основанная на несовершенстве кодирования информации в ДНК. Итогом перечисленных укрупненных ступеней роста беспорядка, преодолевающих тупики равновесий, оказывается жизнь со всеми ее кажущимися невероятными ухищрениями "совершенства в достижении цели". Но цели нет! Есть только запоминаемый в данных условиях иерархический рост беспорядка.

Случайности, приводящие к детерминизму, и есть главная причина реальности (или даже обязательности) множественности жизни во Вселенной.

Кажущееся невероятным - возникновение жизни (во всяком случае на Земле) произошло "мгновенно". Доказывают это сине-зеленые водоросли - одноклеточные организмы, достаточно сложные формы жизни с вполне современной фотосинтезирующей энергетикой на основе хлорофилла. Возникли они около 4 миллиардов лет назад. Но тогда история Земли оставляет ничтожно малое время от остывания до температуры, пригодной для существования органических молекул, до появления этих вполне современных организмов.

"Бог не играет в кости", - когда-то сказал А. Эйнштейн о роли случайностей в природе. Он прав в том смысле, что напрямую независимые случайности выпадения очков игральной кости или простой перебор пробами и ошибками случайных вариантов в природе реализуются не слишком часто. Природа лишена азарта личного выигрыша в виде цели. Тем более возникновение жизни не происходило путем только проб и ошибок. Причина возникновения и эволюции жизни - закон случайностей в самопроизвольном росте беспорядка (энтропии). Иерархия приводит к уменьшению диапазона случайностей по мере роста номеров ступеней, что воспринимается как увеличение порядка.

Ключей к проблеме жизни на Марсе два. Первый. Как показано в упомянутых работах, второе начало термодинамики делает жизнь во Вселенной не только вероятным, но даже обязательным явлением. На Земле жизнь существует. Начало планетарной и геофизической истории Марса было подобно земному. Вот почему вряд ли можно сомневаться, что жизнь на Марсе была. Сегодня она походила бы на земную и явно наблюдалась бы с Земли. Планетарная катастрофа ее эволюцию прервала.

Второй ключ содержится в доступных сегодня точных расчетах параметров и результатов ударных волн, вызванных образованием кратера Эллада. В частности, они помогут в выборе мест для поисков остатков прошлой жизни на Марсе с помощью космических аппаратов. В выбросах пород из Эллады, засыпавших его южное полушарие, жизнь искать столь же непродуктивно, как о параметрах атмосферы на всей Земле судить по ее давлению на вершине Эвереста. Простейшие остатки жизни после катастрофы могли заселить глубину кратера Эллада, где из-за разницы высот даже сейчас относительно плотная атмосфера. Несомненно, что там какое-то время после катастрофы существовала свободная вода. Жизнь могла сохраниться или возникнуть вновь в гидротермальных вулканических зонах. Технические трудности поисков в этих областях велики. Подсказки по результатам расчетов последствий ударных волн могут их уменьшить.

Вероятность катастрофы, подобной марсианской, для Земли далеко не мала. Человек разумен и обладает сегодня техникой, позволяющей защитить Землю от подобного. Но для этого надо работать, а занято человечество совершенствованием средств самоуничтожения.

Литература

1. The Globаl Topography of Mars and Implication for Surface Evolution. Nature. V. 284. 28 May 1999.

2. Жарков В. Н., Мороз В. И. Почему Марс? // Природа, 2000, № 6.

3. Хазен А. М. Происхождение и эволюция жизни и разума с точки зрения синтеза информаций // Биофизика т. 37, № 1, 1992, с. 105-122.

4. Хазен А. М. Принцип максимума производства энтропии и движущая сила прогрессивной эволюции // Биофизика т. 38, № 3, 1993, с. 531-551.

5. Хазен А. М. Разум природы и разум человека. - М.: НТЦ "Университетский", 2000.

6. Хазен А. М. Введение меры информации в аксиоматическую базу механики . - М.: РАУБ. 1998.

7. Хазен А. М. Первые принципы работы мозга, гарантирующие познаваемость природы. - М., 2001.

8. Хазен А. М. Сайт: http://www.kirsoft.com.ru/intell