22.07.2022. - Космические преобразователи информации

Космические преобразователи информации

Для чего, черт возьми, нужна жизнь? Я не имею в виду экзистенциальный смысл жизни, хотя, может быть, в конечном итоге это и приведет к этому. Я имею в виду это в гораздо более конкретном смысле: какова реальная функция биологической жизни? Некоторые скажут, что это бессмысленный вопрос, все равно что спросить "для чего нужен камень"? У жизни нет цели, она просто есть, она просто существует, делая свое дело. На первом этапе это очень верно, более или менее тавтологично и универсально. Это также скучно, поэтому я просто оставлю эту линию мысли, чтобы поиграть с более интересными идеями. Дарвинист ответил бы, что функция жизни - просто воспроизводить себя. Жизнь - это машина выживания, оптимизированная для воспроизводства самой себя. Организмы - это просто сложные биохимические машины, созданные в результате работы генов с целью создания еще более совершенных генов, и ничего больше в этом нет.

Это ставит ряд вопросов, например, если вся цель заключается в репликации, то, несомненно, жизнь не очень хороша в этом, поскольку, учитывая все половые рекомбинации, мутации и способность бактерий переписывать свои гены на лету по мере необходимости, кажется, что жизнь вообще не очень хороша в самовоспроизведении, поскольку один и тот же шаблон никогда не повторяется в точности. Весь процесс эволюции, по определению, требует, чтобы шаблон изменился таким образом, чтобы стать по существу неузнаваемым в течение достаточно долгой последовательности поколений. Дарвинист скажет, что организмы, которые изменились, чтобы получить преимущество перед конкурентами, вытеснят их, и это, конечно, похоже на правду, но опять же... где здесь повторение? Размножение - ключевая часть жизненного цикла любого организма, но это всего лишь одна из его частей... и для большинства организмов - очень крошечная часть, занимающая мизерную долю его внимания и деятельности. Можно так же легко выбрать какую-то другую часть цикла, сказать, что в этом весь смысл, и построить вокруг нее столь же правдоподобное повествование.

Одним из основных свойств жизни является метаболизм. Организмы принимают вещество и энергию, перерабатывают их, используют часть из них для поддержания или роста модели, из которой они состоят, и выводят ненужное или вредное. Остановите метаболизм, и наступит смерть... это практически биологическое определение смерти. Организмы - это своего рода стоячие волны материи, энергии и информации, для существования которых необходим постоянный поток материи, энергии и информации. Нет потока - нет организма. С дарвиновской точки зрения, наличие органической жизни на Земле - это более или менее счастливая случайность. Земля - это просто шар из камня, который благодаря правильному сочетанию температуры поверхности, гравитации, плотности атмосферы, содержания полезных ископаемых и поверхностных вод, а также некоторой удачной комбинации органических химических веществ в начале своей истории, случайно развил самовоспроизводящиеся молекулы (которые на самом деле никогда не воспроизводятся, но так или иначе), которые затем распространились по его поверхности, как мусор из пруда.

Она будет существовать еще несколько сотен миллионов лет, бездумно воспроизводя себя, прежде чем в конце концов погаснет, когда условия перестанут быть подходящими. В конце концов, Земля снова станет безжизненной скалой, а ее органическая история будет лишь интересным эпифеноменом сложной химии, о котором никто не помнит, во вселенной, где "интересное" не имеет никакого значения, поскольку безжалостные звезды, смотрящие вниз, не способны заинтересоваться чем-либо. Этот мрачный взгляд возникает более или менее непосредственно из представления о жизни как о сложной конструкции эгоистичных репликаторов, которые распространились по той простой причине, что они хорошо воспроизводятся. Но что если взглянуть на жизнь с более метаболической точки зрения? В конце концов, в отличие от воспроизводства, метаболизм - это то, что жизнь делает всегда, должна делать постоянно.

Метаболизм - это, по сути, просто переработка материи и энергии. В конечном счете, все, что происходит на Земле, является следствием воздействия космических энергий. На ежедневной основе большая часть этой энергии исходит от Солнца в виде солнечного излучения, очень малая часть которого попадает на поверхность Земли. Часть энергии временно поглощается атмосферой, землей и водой, определяя погоду, которая, в свою очередь, изменяет поверхность за счет эрозии. Большая часть этой энергии отражается обратно в пустоту. Есть также небольшой вклад от лунного света, отраженного света других планет, света звезд, света далеких галактик и так далее; но хотя это выглядит красиво, это не играет никакой существенной энергетической роли.

Затем тектоническая активность - дрейф континентов, землетрясения, вулканы. На первый взгляд, это похоже на то, что Земля производит сама, поскольку исходит из недр, а не с небес. Источник тектонической активности Земли находится в скрытом тепле, исходящем из ядра. Это тепло, в конечном счете, исходит из двух источников. Первый - это гравитационная потенциальная энергия гигантского молекулярного облака, из которого образовалась Земля - структура, разбросанная на световые годы, сгустившаяся в нечто радиусом в несколько тысяч километров, где гравитационная потенциальная энергия преобразуется в тепловую. Второй - в результате распада радиоизотопов, в основном урана, калия и тория, которыми был засеян формирующий Землю материал благодаря взрыву близлежащей звезды. Огромная энергия, высвобожденная этой сверхновой (в конечном счете, результат преобразования гравитационной потенциальной энергии в тепловую энергию во время коллапса звезды), была необходима для производства этих тяжелых элементов в первую очередь.

Земля не является замкнутой системой. Все, что здесь происходит, в конечном итоге имеет космическое происхождение. В отсутствие жизни - если бы Земля была больше похожа на Марс, скажем - почти вся эта энергия просто пропала бы. Какая-то очень небольшая ее часть пошла бы на изменение геологии, смещение песков, эрозию гор и так далее, но большая ее часть была бы либо отражена, либо излучена обратно в космос. С жизнью же происходит нечто весьма удивительное. Жизнь перехватывает эти энергии и превращает их в новые сложные структуры. Растения поглощают свет Солнца, пропускают его через процесс фотосинтеза и преобразуют этот свет в энергию, которую они используют для выживания и роста. Травоядные поедают растения, преобразуя эту энергию в новые формы, которые затем снова преобразуются, когда плоть травоядных поедается плотоядными, которые затем снова преобразуются падальщиками после смерти плотоядных. Более или менее то же самое происходит с хемосинтетической экологией, собранной вокруг вулканических жерл на дне океана или распространенной в глубокой горячей биосфере земной коры.

Конечный источник энергии в земной коре - космический, поэтому жизнь, которая там обитает, также перерабатывает космическую энергию. Космическая энергия, перехваченная жизнью, не просто преобразуется, она попадает в ловушку или, по крайней мере, задерживается. Фотон, попавший в молекулу хлорофилла, приводит к тому, что крошечный кусочек энергии попадает в биосферу и сохраняется в ней гораздо дольше, чем та же энергия сохранялась бы в литосфере, гидросфере, атмосфере, ионосфере или магнитосфере, если бы она просто отражалась или временно поглощалась и излучалась. Энергия не остается здесь навсегда: жизнь - это поток, и, так или иначе, эта энергия должна вернуться туда, откуда пришла. Но она тратит гораздо больше времени на прохождение своего пути через биосферу, чем в противном случае. Чем дольше энергия сохраняется в системе, тем больше преобразований она может пройти, и тем больше ее можно использовать для изменения самой системы.

С этой точки зрения, жизнь, хотя она действительно может быть тонким слоем химических веществ, покрывающих планету, имеет эффект увеличения способности планеты использовать имеющуюся энергию: она захватывает больше того, что попадается на ее пути, и использует это в своих целях. Эволюционная история земной жизни, ее постепенное распространение и усложнение - это процесс, в котором происходят две вещи, имеющие один и тот же результат: во-первых, увеличивается общая биомасса; во-вторых, увеличивается сложность самой жизни; оба эти фактора приводят к тому, что биосфера становится способной использовать все большую долю доступной энергии, что затем приводит к тому, что эта биологически переработанная энергия играет все большую роль в развитии Земли.

В этом контексте, очевидно, конкурентное поведение жизни, которому дарвиновские идеологи отводят столь важную роль, приобретает совершенно новое значение; на уровне биосферы конкуренция за выживание становится, по сути, сотрудничеством в поиске более эффективного использования энергии. Когда лев гонится за газелью, произойдет одно из двух: он поймает и съест газель или не поймает. Этот результат имеет большое значение для льва и газели, но с биосферной точки зрения он не имеет значения: результат просто определяет, какое использование энергии является наиболее эффективным. Точно так же, как соревнование двух боксеров на ринге на более высоком уровне является совместной работой по выявлению лучшего боксера. Если рассматривать конкуренцию как подмножество сотрудничества, то совместная природа жизни становится гораздо менее загадочной; нет необходимости вступать в дебаты о групповом отборе и так далее.

Энергия, однако, не является концом истории. Она, конечно, необходима: любая далекая от равновесия открытая термодинамическая система требует свободной энергии для поддержания сложных структур. Но ей также необходима информация. В важном смысле энергия и информация практически эквивалентны. На базовом уровне энергия передается с помощью света: один атом испускает фотон, теряя энергию, который затем поглощается другим, приобретающим энергию. Это верно даже для кажущихся механическими взаимодействий: когда один камень ударяется о другой, например, если спуститься на субатомный уровень, то можно увидеть кучу атомов, которые взаимодействуют, перебрасывая друг другу фотоны. Каждый атом представляет собой положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, окруженное облаком отрицательно заряженных электронов; первыми в контакт вступают электронные облака атомов; когда один электрон приближается к другому, они обмениваются виртуальными фотонами, которые заставляют их раздвигаться.

Когда атом поглощает фотон, он не просто поглощает энергию, он поглощает информацию. Его внутреннее состояние изменяется (один из электронов переходит на один энергетический уровень), а изменение состояния - это изменение информационного содержания. Разъединить эти два понятия невозможно. Таким образом, свет не просто перемещает энергию по Вселенной: с его помощью Вселенная перемещает информацию6. В этом суть проблемы измерения в квантовой механике: единственный способ произвести измерение - это добавить или удалить некоторую информацию из системы, но как только вы это сделаете, вы измените систему, потому что изменение содержания информации изменяет энергию. Когда энергия и информация передаются одновременно одним и тем же процессом, обойти это невозможно7.

Теперь вернемся к жизни. Одна из наиболее очевидных ее особенностей заключается в том, что с течением времени жизнь усложняется. Это не линейный процесс - есть отмирания и массовые вымирания, события, которые временно уменьшают размер системы и уничтожают самые крупные и сложные формы жизни, - но в целом это вполне очевидно. В течение миллиардов лет жизнь состояла исключительно из одноклеточных организмов: сначала прокариоты, археи и бактерии, а затем более структурно дифференцированные эукариоты. После Кембрийского взрыва клетки поняли, как сотрудничать как сплоченные организмы (несомненно, после большого опыта сотрудничества в колониях бактерий, слизистых плесеней и т.п.), при этом дифференцированные типы клеток приняли специализированные роли в кооперативной клеточной экономике. Изучая ископаемые организмы, мы можем увидеть раннее хаотичное исследование разнообразных причудливых планов тела, которое затем остановилось на меньшем количестве высокоэффективных чертежей, которые со временем совершенствовались для принятия более эффективных средств передвижения, защиты, дыхания и так далее и тому подобное. С течением времени развиваются и возможности жизни: вначале жизнь передвигалась в основном за счет роста; позже она научилась ползать, затем плавать, ходить, а потом и летать.

Рост биологической сложности означает, что биосфера не просто поглощает, перерабатывает и сохраняет космическую энергию. Это не просто аккумулятор. Она также является хранилищем информации. Большая сложность подразумевает больше информации, по определению. А откуда взялась эта информация? Оттуда же, откуда и энергия, потому что в конечном итоге это одно и то же. Это все космическое. Биосфера, таким образом, является огромным хранилищем космической информации. Она функционирует таким образом, что получает эту информацию, удерживает ее, хранит в себе и использует для изменения структуры окружающей среды. Запомните, это не дополнительный процесс к энергетическому процессу; в корне это одно и то же. Энергия и информация - это просто две линзы, через которые мы можем рассматривать одно и то же явление, выделяя различные его аспекты.

Один из многих способов усложнения жизни - неврологический. Насколько нам известно, десять миллионов лет назад не существовало ничего похожего на человеческий мозг. Посмотрите на летопись окаменелостей: размеры мозга (или, точнее, соотношение массы мозга и тела) неуклонно увеличивались в течение геологического времени. Мозг, по сути, является двигателем координации и корреляции - он оптимизирован для поглощения, удержания и реорганизации соматической и окружающей информации, затем выделения полезной информации и предоставления ее остальным частям организма. Поскольку информация - это энергия и наоборот, мозг является фантастически энергетически затратным, что, несомненно, является одной из причин, почему большой мозг эволюционировал так долго. Они также невероятно ценны, поскольку позволяют организму собирать огромное количество информации и делать это гораздо быстрее, чем без них. Развитие языка позволило разным мозгам передавать информацию друг другу гораздо эффективнее, чем раньше. Это имело несколько заметных последствий. Во-первых, информацию можно было передавать на очень большие расстояния, что позволило создать крупномасштабную социальную организацию и торговые сети, охватывающие континенты (которые, да, существовали даже во времена палеолита). Во-вторых, это позволило сохранять культурные знания в течение очень длительного времени.

Итак, жизнь развивается как способ сохранения и преобразования космической энергии и космической информации. Мозг развивается как один из способов делать это более эффективно. Язык возникает как естественное продолжение этих функций. Ноосфера - оболочка мысли, представленная человеческими обществами, с нашими торговыми сетями, информационными сетями, библиотеками, школами и так далее - служит тому же функциональному императиву, что и биосфера. С течением времени общая тенденция состоит в том, что информационное содержание Земли увеличивается, кодируясь во все более сложной, запутанной и богатой архитектуре биосферы. По мере увеличения энергии, высвобождаемой, улавливаемой, сохраняемой и используемой жизнью, увеличивается и информационное содержание; вместе с этим увеличивается и способность жизни перестраивать Землю, как с точки зрения объема Земли, который можно реорганизовать, так и с точки зрения тонкости, с которой это можно сделать.

Жизнь не просто питается от Вселенной. Она учится у нее. Или, если посмотреть с другой стороны, Вселенная учит жизнь сама себя. Вселенная вписывает себя в поверхность планеты, оставляя с течением времени все больше и больше своих следов. Можно думать о жизни как о своего рода символическом представлении космоса... библиотеке, гобелене, симфонии, которая становится все более величественной и утонченной по мере того, как Вселенная впитывает все больше себя в свою художественную работу. Однако замечательность этого художественного проекта заключается не только в том, что это глубоко прекрасный акт творения, но и в том, что это произведение искусства, которое само способно творить. И именно для этого существует Жизнь. В начале этой статьи я предположил, что в конце она может затронуть вопрос о смысле жизни в более экзистенциальном смысле. Если вдуматься, именно так оно и есть.

Источник