Читать онлайн Александр Долгополов - Жизнь VS Энтропия

Scio me nihil scire.

Отношение того, что знаю, к тому, чего не знаю, неотличимо от нуля

И вдруг раздался Большой Взрыв. Почему, а главное, зачем – никто не знает. Даже те, кто имеет смелость утверждать обратное. Но все великие умы сходятся на том, что ОН произошел. Появилось Пространство × Время и началась космическая эволюция Вселенной. За ничтожно малое время ~10-43 секунды (планковская эпоха) стали действовать известные сегодня законы природы. Появились и разделились фундаментальные силы – гравитационные, ядерные, электромагнитные и слабые. Началась эпоха инфляции – чрезвычайно быстрого расширения и остывания Вселенной. Она продлилась до ~10-32 секунды. В эту эпоху «свет отделился от тьмы» и из него стали рождаться элементарные частицы.

Почему-то частиц оказалось на ~ 0.001 долю больше, чем античастиц. Это счастливое обстоятельство позволило Вселенной прийти к относительной стабильности, так как иначе массовые процессы аннигиляции частиц и античастиц происходили бы все время. Асимметрия нашего Мира по дихотомии частицы/античастицы говорит о некой фундаментальной асимметрии самого Большого Взрыва. Рассуждая философски можно прийти к выводу, что абсолютно симметричный объект не может изменяться. Современная физика основывается на том, что с каждой формой симметрии связан некоторый интеграл движения (теорема Нетер). Эти интегралы, будучи важными характеристиками системы, остаются неизменными во времени константами. Следовательно, абсолютно симметричный объект есть константа. Внутри такого объекта невозможно понятие времени. Применительно к нашей теме это означает, что само время есть продукт асимметрии Большого Взрыва. Есть и асимметрия – кандидат, ответственная за однонаправленность оси времени – это неравноправие левого и правого (нарушение четности в квантовой механике).

При остывании Вселенной вследствие расширения до ~ 109 градусов Кельвина начали образовываться простейшие ядра и элементы. При образовании атомов водорода испускаются фотоны определенной энергии. Образовавшиеся более 13 миллиардов лет назад такие фотоны заполнили всю Вселенную и сохранились до сегодняшнего дня в виде так называемого реликтового излучения. Его особенности (изотропность, теоретически предсказанная температура 2,725 К и другие) позволили обнаружить его экспериментально, как одно из немногих прямых подтверждений Большого Взрыва.

Под воздействием сил тяготения облака атомов водорода, дейтерия, гелия стягивались во все более плотные образования. Энергия тяготения превращалась в рост температуры объектов, пока в них не загоралась термоядерная реакция. Такие объекты превращались в звезды. Если массы у объекта недоставало, то они превращались в газовые планеты типа Юпитера или Сатурна. Загоревшиеся и загорающиеся сегодня звезды проходят свою эволюцию. В особенно массивных из них рождаются все химические элементы вплоть до самых тяжелых. При взрыве таких звезд в конце их эволюции (сверхновые звезды) эти элементы рассеиваются по всей Вселенной и дают материал для постройки планетных систем, комет, астероидов и т. п. Эти небесные тела проходят свою эволюцию. Ее можно называть геологической, несмотря на земной смысл этого термина.

Звездные системы силами гравитации собираются в галактики, галактики – в скопления галактик и даже в сверхскопления галактик. Возникает иерархическая структура Вселенной. Этот период эволюции Вселенной называют иерархической эпохой. В прошлом она носила весьма бурный характер и вяло продолжается в наше время. Вселенная по-прежнему расширяется и даже хорошо измерен коэффициент этого расширения – постоянная Хаббла. Что ждет Вселенную в далеком будущем? Теорий много – понимания мало.

В одной маленькой части Вселенной, на краю галактики Млечный Путь, в планетной системе звезды Солнце, на планете Земля сложились столь удачные условия, что ее геологическая эволюция каким-то удивительным образом превратилась в эволюцию биологическую. Из простых химических соединений синтезировалась молекула ДНК, структура которой представляет собой некий текст – генетический код. Алфавит этого кода состоит всего из четырех химических «букв» – нуклеотидов: аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т) и цитозина (Ц). Тройки (триплеты или кодоны) этих букв кодируют двадцать новых химических «букв» – аминокислот. Молекулы ДНК обладают способностью соединять эти буквы в тексты. Тексты из аминокислот представляют собой химические формулы молекул белков, из которых и состоят живые организмы на Земле. Некоторые кодоны кодируют одни и те же аминокислоты, а некоторые их не кодируют вовсе. Такой код в теории информации называют каскадным и вырожденным. Смысл такого кодирования состоит в том, что он позволяет исправлять ошибки в генетических текстах.

Пары букв (А – Т) и (Г – Ц) связываются химическими связями внутри пар. В результате этого свойства образуются знаменитые двойные спирали ДНК – геном организма. Биологическая эволюция есть размножение и постепенная модификация текстов описанного кода. Размножение генетических текстов производится очень сложными и тонкими молекулярными «типографиями». Сначала расщепляется двойная спираль ДНК и с каждой половинки делается «оттиск» в виде другой, столь же сложной молекулы РНК. В этой молекуле в алфавите (А,Г,Т,Ц) буква Ц заменяется на У (урацил). В результате этого молекулы РНК уже не образуют двойную спираль, но позволяют молекулярным «печатным» машинам восстанавливать куски исходного текста – гены, отвечающие за синтез белков. Молекулы белков собираются (синтезируются) из отдельных букв – аминокислот, поступающих из окружающей среды. Молекулы белков имеют сложные вторичные и третичные пространственные конфигурации, устроенные таким хитрым способом, что они собираются в клетки живых организмов. В свою очередь клетки устроены так, что их многократное деление приводит к развитию в Пространстве × Времени всех живых организмов на Земле. Это означает, что в молекуле ДНК закодирована в сжатом виде вся информация о будущем живом объекте. Биологическая эволюция является, таким образом, информационным процессом.

Опытные данные свидетельствуют, что сначала образовались сравнительно просто устроенные организмы, а затем они превращались во все более сложные и, в конце концов, в разумные. Механизм этого усложнения сегодня представляется как процесс естественного отбора вариаций генетических текстов, возникающих в результате ошибок их «перепечатки» (мутаций). Организмы с очень малыми отличиями генетических текстов столь же мало отличаются друг от друга и биологически. Сообщества таких организмов образуют виды (species). Отбираются те вариации, которые оказываются полезными для выживания и размножения в изменяющихся условиях внешней среды. Близкие виды образуют роды, роды – семейства, семейства – отряды, отряды – классы, классы – типы и т.д. Биологическая наука построила такую иерархическую классификацию живого мира с учетом общности происхождения видов от общих предков.

Сложность живого организма, как показывают исследования, прямо связана с длиной его генома. Простейшие организмы – вирусы, имеют длины геномов порядка десятков тысяч (вирус полиомиелита – 7200, коронавирус COVID-19 – более 29 тысяч). Для сравнения, геном человека содержит около 3 млрд. пар букв (А – Т) и (Г – Ц). Биологическая эволюция развивается, в целом, от простого к сложному. Имеющиеся исключения (например, многие паразиты претерпели обратную эволюцию от сложно устроенного предка к примитивному организму) лишь подтверждают правило. Этим биологическая эволюция принципиально отличается от эволюции геологической. Предоставленный самому себе неживой объект деградирует на отдельные и все более простые части. Этот процесс происходит в полном соответствии с одним из фундаментальных постулатов физической науки – Второму началу термодинамики. Этот постулат утверждает, что в замкнутой физической системе упорядоченность ее элементов, т.е. усложнение ее структуры, не может возрастать. А возрастать может лишь особая термодинамическая величина, названная физиком Р. Клаузиусом энтропией. Еще в XIX веке физики поняли, что ее смысл – это мера хаоса, беспорядка, неопределенности.

Можно ли считать биологическую эволюцию нарушением этого принципа? Для отдельного живого организма это, очевидно, не так – для него со временем все возвращается на «круги своя». Но касается ли это всего феномена живого? И касается ли это всей Вселенной как целого? Ведь описанная в начале повествования картина ее эволюции скорее подобна эволюции биологической. Наука пока не отвечает достаточно обоснованно на эти вопросы. Трудности, которые возникают на этом пути, начинаются уже с определения, а что же такое простота и что же такое сложность. То, что человек устроен сложнее вируса, кажется очевидным. Но когда-то очевидным казалось, что Земля плоская, а галилеевский закон сложения скоростей верен. Сегодня же очевидно, что это не так. Также не прост и вопрос: что такое сложность? Выдающийся физик И. Пригожин так и назвал свой итоговый труд – «Познание сложного».

Самый надежный путь понять какое то явление – это его измерить. В 60 – 70-е годы XX-го века в трудах математиков А.Н. Колмогорова, Р. Соломонова, Г. Чайтина и других, был предложен способ измерения понятия сложность для специфического множества объектов. Это множество конечных последовательностей букв произвольного конечного алфавита. Примерами служат тексты на естественных языках, телеграфные сообщения и т.п. К этому множеству относятся и геномы живых организмов на Земле. Более того, любая формальная математическая модель какого-либо объекта может быть сведена к таким последовательностям (формулам). Колмогоровская сложность последовательности, принадлежащей указанному множеству, упрощенно может быть определена, как длина генерирующей ее программы, выполняемой на абстрактной вычислительной машине (например, на так называемой машине Тьюринга). Смысл этого определения состоит в том, что если последовательность имеет регулярные свойства, (например, серии одинаковых букв), то ее можно заменить на более короткую последовательность (программу). Иначе говоря, простую последовательность можно сжать до значительно более короткой, а сложную либо вовсе нельзя сжать, либо можно сжать очень незначительно. Колмогоровская сложность есть, таким образом, количественная характеристика и сравнение объектов по сложности превращается в арифметическое действие. К сожалению, колмогоровская сложность оказалась невычислимой функцией (есть в математике и такие). Но тут снова в деле появляется энтропия, но уже не термодинамическая, а информационная. Ее ввел в теорию информации К. Шеннон и ее часто называют шенноновской. Она является мерой хаоса в тех самых последовательностях букв, с которыми и связана колмогоровская сложность. Интуитивно понятно, что чем хаотичней последовательность, тем выше ее колмогоровская сложность. Более точно эта связь формулируется следующим образом: «нормализованная колмогоровская сложность последовательности с ростом ее длины стремится к ее энтропии». Шенноновская энтропия последовательностей вычисляется по довольно простой формуле, что позволяет оценить и их колмогоровскую сложность.