Жизнь VS Энтропия - страница 14

«живые существа суть природные репликаторы, самовопроизводящие себя посредством символьной системы передачи сообщений».

В чем суть такого уточнения? Энтропия (и ее производная – информация) присутствует как в живой, так и в неживой материи. В растущем в насыщенном растворе семействе кристаллов поддерживается достаточно долго более низкая энтропия, чем в окружающей среде. Их образование обеспечивается оттоком энергии при испарении наиболее энергичных молекул растворителя. Порядок в кристаллической решетке поддерживается физическим полем ансамбля атомов, составляющих вещество кристалла. Потенциальная энергия в ансамбле атомов имеет свойство образовывать регулярно расположенные в пространстве минимумы. При нарастании концентрации их в растворителе они «падают» в эти минимумы из раствора. Отделяющийся от материнского кристалла обломок переносит часть физического поля (вместе с накопленными в нем дислокациями) на новое место, порождая новую колонию. Переносится и пониженная энтропия вместе с информацией о новой конфигурации минимумов потенциальной энергии поля. В этом процессе нет ничего загадочного с точки зрения термодинамики.

Оставаясь на позициях диалектического материализма, можно попытаться определить границу неживое/живое на траектории возникновения ССПС под действием законов природы. Наше физическое пространство-время на масштабах, превышающих так называемые планковские длину и интервал, в физике мыслится как континуум. Соответственно, возникли представления о непрерывности состояний физических систем. Квантовая теория внесла коррективы в эти представления – принципиально дискретный характер состояний на атомных масштабах пространства-времени. Эти состояния образуют неограниченные, но счетные множества. Символы алфавита физически реализуемой ССПС образуют конечные дискретные множества. Если это некоторый набор химических молекул, то они должны иметь свойство соединяться в последовательности таким образом, чтобы это приводило к снижению потенциальной энергии. Иначе говоря, они, находясь в определенной среде, должны вступать в экзотермическую реакцию линейной полимеризации. При этом высвобождение энергии должно быть минимальным, чтобы среда успевала поддерживать постоянную температуру. Энтропия такой молекулы-полимера будет снижаться с ростом ее длины. Это следует уже из того, что число пространственных степеней свободы ее компонент резко снижается.

В информатике безразмерную больцмановскую энтропию алфавита logW, где W равно числу символов, называют информационной емкостью алфавита. С точки зрения эффективности передачи информации желательно иметь алфавит с большей емкостью. Функция log быстро растет при малых W, а затем рост быстро падает. Сложность же реализации ССПС, очевидно сильно растет с W. Минимальный алфавит – бинарный2. В принципе, возможна жизнь на «двух буквах». Но, случайно или нет, природа остановилась на четырехсимвольном алфавите, который, как показано выше, связан с простейшим полем Галуа GF(22), позволяющим осуществить принцип комплементарности и построить нетривиальный корректирующий код. Некогда возникшая на Земле четверка молекул (А, У, Г, Ц) оказалась способной к созданию ССПС в виде сообщества молекул РНК. Молекулы РНК – это системы уже не атомных масштабов, они находятся в промежуточной зоне между квантовым микромиром и классическим макромиром. Линейная структура этих молекул ограничивает степени свободы элементов лишь в одном измерении. Такая молекула легко изгибается в нашем трехмерном пространстве. Но свойство комплементарности позволило еще на порядок снизить энтропию за счет дополнительных связей в линейном полимере. Эти связи в четверке (А, У, Г, Ц) проявились в свойстве комплементарности пар (А, У) и (Г, Ц). В результате возникли устойчивые вторичные структуры некоторой части молекул РНК вроде той, что представлена на рис. 5.