Теории всего на свете

Падение в нужное место: энтропия и отчаянная изобретательность жизни

В раннюю пору моей научной жизни мне пришлось принять решение, отказываться ли от роскошных загадок квантовой механики и космологии ради столь же захватывающих вещей – поразительной инженерии кода, встроенного благодаря естественному отбору в программы жизни организмов. В 1970 году активизация ряда социально-культурных и геополитических процессов в мире показала, что необходимо как можно скорее прийти к математизированному и неидеологизированному пониманию того, что такое «человеческая природа» с точки зрения эволюции. Бурное развитие компьютерных наук и кибернетики позволило предположить, что такое понимание возможно. Стало ясно, что ученые, занимающиеся гуманитарными науками, в интересах прогресса своих дисциплин должны перестать испытывать враждебность к эволюционной биологии.

Окончательно перетянула меня в другую сферу теория о том, что естественный отбор сам по себе является необыкновенно прекрасным и изящным механизмом для вмешательства в развитие природы. Надев эти теоретические очки, я сумел значительно улучшить свое научное зрение, населить ум цепочками дедуктивных рассуждений, которые выстраивались, словно кристаллическая решетка в пересыщенном растворе. Более того, эта теория вырастает из неких основополагающих принципов (заложенных, в частности, физикой и теорией множеств), так что значительная ее часть весьма жестка и не предполагает особой свободы выбора.

Однако с точки зрения физики в естественном отборе кроется глубинная проблема, требующая объяснения. Мир, открываемый нам физикой, безотрадно мрачен. Он способен обжечь, не горя, или незаметно и постепенно истереть наши клетки и макромолекулы, пока мы не умрем. Он обращает в прах целые планеты, миры, тех, кого мы любим, нас самих. Всплески гамма-излучения уничтожают огромные галактические области, а взрывы сверхновых, удары астероидов, извержения гигантских вулканов, ледниковые периоды стирают с лица Земли экосистемы и кладут конец видам. Эпидемии, инсульты, физические травмы, повреждения из‑за избытка окислителя, белковые сшивки, сборка ДНК под действием тепловых шумов, – все эти случайные процессы уводят нас от ограниченного и строго организованного набора состояний, который мы так ценим, в сторону усиливающегося хаоса. Второе начало термодинамики признает, что физические системы склонны стремиться к более вероятным состояниям, словно бы неуправляемо летя с горы на санках, стремительно скатываясь от состояний менее вероятных (а значит, от упорядоченных) к максимальной неупорядоченности.

Таким образом, энтропия – неупорядоченность – ставит перед нами проблему: как же живые существа вообще оказываются совместимыми с физическим миром, где правит энтропия? И как в условиях постоянного стремления к энтропии естественный отбор может, в долгосрочной перспективе, приводить к постоянному увеличению уровня функциональной организации живого? Живые существа выделяются как необычное отклонение от физической нормы (которая представлена, скажем, металлическим ядром Земли, лунными кратерами или солнечным ветром). Все организмы, от терновника до ольхи, от цапли до выдры, отличаются от всего прочего во Вселенной тем, что в их «конструкцию» вплетены практически невероятные системы тонко настроенных взаимоотношений – высокоорганизованных и весьма эффективных. Но, как всякая высокоорганизованная физическая система, живые организмы имеют тенденцию быстро скатываться в состояние максимальной неупорядоченности (максимальной вероятности). Как выразился физик Эрвин Шрёдингер, «живые организмы кажутся такими загадочными, поскольку им удается избегать быстрого сползания в инертное состояние “равновесия”»[53].

Поспешный ответ, который обычно норовят подсунуть креационистам, относительно правилен, но неполон: Земля не является закрытой системой; живые организмы также не являются закрытыми системами, так что энтропия все-таки возрастает в масштабах Вселенной (что вполне согласуется со вторым началом термодинамики), однако уменьшается на локальном уровне – в живых существах. Но это еще не объясняет высокоорганизованность живого (хотя и допускает ее). Для такого объяснения можно привлечь идею естественного отбора, в том числе и адаптационные процессы, задерживающие рост энтропии, что позволяет нам сравнительно долгое время избегать мгновенного окисления в горстку праха.

Естественный отбор – единственный известный нам противовес тенденции физических систем к снижению (а не к росту) уровня функциональной организации: это единственный из природных физических процессов, который (иногда) подталкивает биологические популяции «вверх», к более высоким степеням функциональной упорядоченности. Как же это работает?

Именно на данном этапе рассуждений можно, наряду с энтропией и естественным отбором, привлечь и третью идею из великого трио изящных научных концепций. Это блистательная идея Галилея касательно систем отсчета: с ее помощью он вносил ясность в физику движения.

Понятие энтропии изначально разрабатывали, изучая теплоту и энергию, но если бы единственным видом реальной энтропии была термодинамическая энтропия рассеяния энергии, мы с вами (и сама жизнь) попросту не могли бы существовать. Однако благодаря научному вкладу Галилея можно рассмотреть множественные уровни упорядоченности (структуры, невероятные с точки зрения строгой физики), определив каждый из них относительно какой-то определенной системы отсчета.

Может существовать множество разновидностей энтропии – столько же, сколько и корректных систем отсчета.

Организм по определению является самовоспроизводящейся физической системой. Это создает систему отсчета, упорядоченность в которой определяется в понятиях случайных взаимосвязей, способствующих воспроизводству системы (репродуктивный, а не термодинамический порядок). И в самом деле, организмы должны быть физически «сконструированы» так, чтобы улавливать нерассеянную энергию. Подобно плотинам ГЭС, где водопады используются для вращения турбин, живые организмы используют термодинамический энтропийный поток, питая с его помощью процессы собственного воспроизводства. Так они распространяют множество своих копий по окружающему их миру.

Порой из‑за энтропии в процесс подобного копирования вкрадываются ошибки, но такой «наведенный» беспорядок в системах, способных к воспроизводству, подвержен автокоррекции. Ведь «хуже» организованные системы по определению менее эффективны в самовоспроизводстве, а потому вымываются из популяции. Однако ошибки копирования, увеличивающие функциональную упорядоченность (а значит, и репродуктивную способность), становятся все более распространенными. Так и работает маховик неизбежного естественного отбора при воспроизводстве живых организмов.

Живые организмы применяют фокус с использованием различных энтропийных систем отсчета самыми многообразными путями, иной раз весьма хитроумными. Однако главное здесь – то, что факторы, естественным образом увеличивающие неупорядоченность (а значит, смещающие систему в сторону максимально вероятных состояний) для одной системы отсчета в рамках одной физической области, могут быть использованы для уменьшения неупорядоченности в другой системе отсчета. Естественный отбор выбирает и связывает между собой различные группы объектов, управляемых энтропией (скажем, клетки, органы, мембраны), причем каждой из этих групп свойственна определенная энтропийная система отсчета. Когда связываются между собой подходящие группы объектов, они проделывают работу по воспроизводству, задействуя процессы возрастания энтропии одних разновидностей для того, чтобы снижать энтропию других разновидностей, да так, чтобы это приносило пользу данному организму. К примеру, диффузия кислорода из легких в кровоток и далее в клетки происходит благодаря энтропии химического смешивания: идет сдвиг в сторону более вероятных, высокоэнтропийных состояний, однако при этом повышается упорядоченность с точки зрения способствования воспроизводству.

Энтропия вынуждает предметы падать, но жизнь изобретательна и частенько заставляет падающие предметы опускаться строго на нужное место.