Дълго време се смяташе, че животът се подчинява на собствения си набор от правила. Но тъй като простите системи проявяват признаци на естествено поведение, учените спорят дали тази привидна сложност е чисто следствие от термодинамиката.
Каква е разликата между физика и биология? Вземете топка за голф и оръдие и ги хвърлете от Наклонената кула в Пиза. Законите на физиката ви позволяват да предвидите траекториите на тяхното падение толкова точно, че не можете да пожелаете най-доброто.
Сега направете същия експеримент отново, но заменете гюлето.
Разбира се, биологичните системи не се поддават на законите на физиката - но, очевидно, последните също не са в състояние да предвидят поведението си. Биосистемите се различават по това, че са целенасочени за оцеляване и възпроизвеждане. Може да се каже, че имат цел - или това, което философите традиционно наричат телеология -, която ръководи тяхното поведение.
По подобен начин, въз основа на състоянието на Вселената на милиардна секунда след Големия взрив, физиката сега ни позволява да прогнозираме как изглежда нашата Вселена днес. Но никой не мисли, че появата на Земята на първите примитивни клетки предсказуемо е довело до появата на човешката раса. Изглежда, че ходът на еволюцията не е продиктуван от закони.
Според еволюционния биолог Ернст Майр телеологията и историческата обусловеност на биологията я правят уникална сред науките. И двете характеристики се пораждат, може би, от единствения общ водещ принцип на биологията - еволюцията. Той има случаен и произволен характер, но естественият подбор му придава вид на намерение и цел. Животните се привличат към водата не под влияние на някакво магнитно привличане, а поради инстинкт, желание за оцеляване. Краката, наред с други неща, служат да ни водят до водата.
Майр твърди, че тези характеристики правят биологията изключителна наука - независим закон. Междувременно последните постижения в неравновесната физика, теорията на сложните системи и теорията на информацията оспорват тази гледна точка.
Ако разгледаме живите същества като агенти, извършващи изчисления - събиране и съхраняване на информация за непредсказуема среда - техните способности и ограничения, като възпроизвеждане, адаптация, дейност, цел и смисъл, могат да бъдат разбрани не като произтичащи от еволюционната импровизация, а като неизбежни последици от физическите закони … С други думи, един вид физика изглежда стои в основата на дейността на съществата и тяхното развитие в тази посока. Значението и намерението - за които се смяташе, че са определящи характеристики на живите системи - могат след това естествено да възникнат от законите на термодинамиката и статистическата механика.
Промоционално видео:
Миналия ноември физици, математици и компютърни учени се срещнаха с еволюционни и молекулярни биолози, за да говорят - и понякога спорят - за тези идеи на семинар в Института Санта Фе в Ню Мексико, мека за учени, работещи върху „Сложни системи“. Повдигна се следният въпрос: колко специална (или не) е научна дисциплина биология?
Не е изненадващо, че мненията са разделени. Но една мисъл звучеше много ясно: ако зад биологичните фактори и телеологията стои определена физика, тогава тя трябва да се справи със същата концепция, която изглежда стана централна в самата фундаментална физика: информация.
Разстройство и демони
Первые попытки внедрить информацию и намерение в законы термодинамики предпринимались в середине 19 века, когда шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл изобрел статистическую механику. Максвелл показал, как с введением этих двух ингредиентов, кажется, становилось возможным делать те вещи, которые термодинамика провозглашала невозможными.
По това време Максуел вече демонстрира колко предсказуеми и надеждни математически връзки между свойствата на газ - налягане, обем и температура - могат да се изведат от случайните и неразбираеми движения на безброй молекули, трескаво сблъскващи се под въздействието на топлинната енергия. С други думи, термодинамиката - новата наука за топлинния поток, включваща огромните свойства на материята като налягане и температура - е резултат от статистическата механика на микроскопично ниво на молекули и атоми.
Според термодинамиката способността за извличане на полезна работа от енергийните ресурси на Вселената непрекъснато намалява. Енергийните центрове се намаляват, съсиреците от топлината постепенно изчезват. Във всеки физически процес част от енергията неизбежно се разсейва под формата на безполезна топлина, загубена сред произволните движения на молекулите. Тази случайност се измерва с термодинамично количество, наречено ентропия - мярка за разстройство, което непрекъснато расте. Това е вторият закон на термодинамиката. В крайна сметка цялата Вселена ще бъде сведена до еднаква безредна смес: състояние на равновесие, при което ентропията е максимална и никога няма да се случи нищо смислено.
Наистина ли чакаме такава мрачна съдба? Максуел не искал да повярва и през 1867 г. ученият си е поставил задачата да "пробие дупка" във втория закон. Целта му беше да вземе контейнер с газ, където молекулите се движат произволно, и след това да отдели бързите молекули от бавните, като по този начин намали ентропията.
Представете си микроскопично същество - физикът Уилям Томсън по-късно ще го нарече, по-скоро на ужас на Максуел, демон - способен да вижда всяка една молекула в съд. Демонът разделя съда на две отделения, а в преградата между тях има плъзгаща се врата. Всеки път, когато види особено бърза молекула да се приближава до вратата от дясното отделение, той отваря вратата, за да я пусне вляво. И всеки път, когато бавна, "студена" молекула се приближава до вратата от лявата страна, той също я пропуска към другата страна. В крайна сметка той има съд с отделение за студен газ вдясно и горещ газ вляво: топлинен акумулатор, който може да се използва за свършване на работата.
Това е възможно само при две условия. Първо, демонът има повече информация от нас: той може да вижда всички молекули поотделно, а не само средно статистически. И второ, тя има намерение: план за отделяне на горещото от студеното. Използвайки знанията си с конкретна цел, той може да оспори законите на термодинамиката.
Поне така изглеждаше. Отне сто години, за да разберем защо демонът на Максуел наистина не може да подкопае втория закон и да предотврати неумолим плъзгане към фаталното общо равновесие. Причината за това е доказателство за дълбока връзка между термодинамиката и обработката на информация - или с други думи, изчислението. Германският и американският физик Ролф Ландауер показа, че дори ако демон може да събере информация и (избягвайки триенето), да премести вратата без да изразходва енергия, рано или късно все пак ще има намерение. Тъй като паметта му, където се съхранява информация за всяко движение на молекули, не може да бъде неограничена, той ще трябва да я почиства от време на време - тоест да изтрие видяното и да започне отначало - преди да може да продължи да трупа енергия. Този акт на премахване на информация идва с неизбежен разход: той разсейва енергията и следователно увеличава ентропията. Всички аргументи срещу втория закон, предложени от умния демон, се зачеркват от „границата на Ландауер“: крайната цена за изтриване на информация (или по-общо преобразуване на информация от една форма в друга).
Живите организми донякъде приличат на демона на Максуел. Докато чаша, пълна с химикали, взаимодействащи помежду си, в крайна сметка ще изразходва енергията си и ще изпадне в скучен застой и равновесие, живите системи колективно избягат от безжизнено състояние на равновесие от самото начало на живота за около три и половина милиарда години. Те акумулират енергия от околната среда, за да поддържат това състояние на неравновесие, и правят това с „намерение“. Дори прости бактерии се движат с „цел“: към източници на топлина и храна. В книгата си от 1944 г. Какво е животът? физикът Ервин Шрьодингер изрази тази идея, като заяви, че живите организми се хранят с „отрицателна ентропия“.
Според Шрьодингер те постигат това чрез събиране и съхраняване на информация. Част от тази информация е кодирана в гените им и се предава от поколение на поколение: набор от инструкции за събиране на отрицателна ентропия. Шрьодингер не знаеше къде се съхранява информацията или как е кодирана, но интуицията му му подсказва, че тя е записана в това, което той определя като "апериодичен кристал", и тази идея служи като вдъхновение за Франсис Крик, физик в основната му специалност и Джеймс Уотсън, който през 1953 г. разбра как генетичната информация може да бъде кодирана в молекулната структура на молекулата на ДНК.
Следователно геномът е поне отчасти запис на полезни знания, който позволи на предците на организма - вече в далечното минало - да оцелеят на нашата планета. Според Дейвид Уолперт, математик и физик от института Санта Фе, който е спонсорирал неотдавнашната работилница, и неговият колега Артеми Колчински, ключът е, че добре приспособените организми установяват връзки с тази среда. Ако една бактерия е гарантирано да плува наляво или надясно, когато има хранителен източник в тази посока, тя е по-добре адаптирана и ще се развие по-успешно от тази, която плува в произволни посоки и следователно намира храна само случайно. Корелацията между състоянието на организма и състоянието на околната среда предполага, че те обменят обща информация. Волперт и Колчински спорятче именно тази информация помага на тялото да избягва равновесие - защото подобно на демона на Максуел, той може да адаптира поведението си, за да извлече работа от непостоянството на околната среда. Ако не получи тази информация, тялото постепенно щеше да стигне до състояние на равновесие, тоест до смърт.
От тази гледна точка животът може да се разглежда като изчислителен процес, насочен към оптимизиране на съхранението и използването на смислена информация. И животът, както се оказва, е много успешен в това. Решението на Ландауер за демона на пъзела Maxwell постави абсолютна долна граница за количеството енергия, което изисква дадена компютърна система за ограничена памет, а именно енергийните разходи за забравяне. Най-добрите компютри днес са несравнимо по-разточителни: те обикновено консумират и разсейват милион пъти повече енергия. Както обаче казва Вулперт, „по най-консервативните оценки, термодинамичната ефективност на цялостния изчислителен процес, изпълняван от клетката, е само около 10 пъти по-висока от границата на Ландауер“.
Импликацията е, че „естественият подбор е изключително загрижен за минимизиране на термодинамичните разходи за изчисляване. Той ще направи всичко възможно да намали общия брой изчисления, които клетката трябва да извърши. С други думи, биологията (с възможното изключение от нас самите) изглежда предприема проактивни стъпки, за да не се притеснявате от оцеляването. Според него този въпрос за разходите и ползите от изчисляването на собствения път на организма през живота досега е пренебрегнат в биологията.
Нежив дарвинизъм
Така живите организми могат да се разглеждат като обекти, които се адаптират към околната среда с помощта на информация, поглъщайки енергия и по този начин се отклоняват от равновесието. Разбира се, това е много важно изявление. Но забележете, че това не казва нищо за гените и еволюцията, от които много биолози, включително Майер, са приели, че зависят биологичните намерения и цели.
Докъде може да ни отведе подобна идея? Гените, полирани чрез естествен подбор, несъмнено са централни за биологията. Но може ли еволюцията чрез естествен подбор да е само специален случай на по-общ императив по отношение на функцията и очевидната цел, която съществува в чисто физическа вселена? Всичко започва да изглежда така.
Адаптирането отдавна се разглежда като отличителен белег на дарвинистката еволюция. Междувременно Джеръми Англия от Масачузетския технологичен институт твърди, че адаптирането към околната среда може да се случи дори в сложни неживи системи.
Адаптацията тук има по-конкретен смисъл от обичайния дарвинистки възглед за организма като добре оборудван със средствата за оцеляване. Има една уловка в теорията на Дарвини: ние имаме само способността да определяме добре адаптиран организъм в заден план. "Най-силните" са тези, които са по-добре приспособени за оцеляване и възпроизвеждане, но не можем да предвидим какво изисква даден фитнес. Китовете и планктонът са добре приспособени към морския живот, но по такъв начин, че между тях едва ли има нещо ясно.
Определението на Англия за „адаптация“е по-близко до това на Шрьодингер и всъщност Максуел: добре адаптиран обект може ефективно да абсорбира енергия от непредсказуема, променяща се среда - като човек, който е в състояние да се изправи на краката си по време на превоза на кораб, когато всички останали падат, защото той е по-добре адаптиран към вибрациите на палубата. Използвайки концепциите и методите на статистическата механика в неравновесна обстановка, Англия и неговите колеги твърдят, че именно тези добре адаптирани системи абсорбират и разсейват енергията на околната среда, генерирайки ентропия в процеса.
Сложните системи са склонни да навлизат в тези добре приспособени състояния с изненадваща лекота, казва Англия: „Термично вибриращата материя често може спонтанно да се срути във форми, които поглъщат работата добре от променяща се във времето среда.“
Нищо в този процес не включва постепенно адаптиране към околната среда чрез дарвинистки механизми за възпроизвеждане, мутация и наследяване на черти. Въобще няма репликация. „Тоест, когато даваме физическа информация за произхода на някои привидно адаптирани структури, виждаме, че не е необходимо да имат родители в обичайния биологичен смисъл - и тези открития изглеждат невероятно вълнуващи“, казва Англия. "Еволюционната адаптация може да се обясни по отношение на термодинамиката дори в онези любопитни случаи, когато няма саморепликатори и дарвинистката логика се разпада." Ако, разбира се, въпросната система е достатъчно сложна, гъвкава и чувствителна, за да реагира на промените в средата.
Няма обаче конфликт между физическата и дарвинистката адаптация. Всъщност последният може да се разглежда като специален случай на първия. Ако е налице репликация, тогава естественият подбор става пътят, по който системите придобиват способността да абсорбират работата - отрицателната ентропия на Шрьодингер - от околната среда. Механизмът на самовъзпроизвеждане всъщност е особено добър за стабилизиране на сложни системи и затова не е изненадващо, че точно това използва биологията. Но в неодушевения свят, където репликацията обикновено не се случва, добре приспособените дисипативни структури са склонни да бъдат високо организирани структури, като вълнообразни слоеве пясък и дюни, кристализирани от случайния танц на пясък и вятър. От тази гледна точка,Дарвиновата еволюция може да се възприеме като конкретен пример за по-общ физически принцип, управляващ неравновесните системи.
Механизми за прогнозиране
Това разбиране на сложни структури, адаптирани към променящата се среда, също ни позволява да направим някои изводи за това как тези структури съхраняват информация. Накратко, тъй като такива структури - живи или не - са принудени да използват ефективно енергията, най-вероятно те ще се превърнат в „механизми за прогнозиране“.
Фактът, че биологичните системи променят състоянието си в отговор на някакъв вид контролен сигнал от външната среда, е може би основната характеристика на живота. Случва се нещо - отговаряте му. Растенията се изтеглят на светлина или произвеждат токсини, като реагират на патогени. Тези екологични сигнали обикновено са непредсказуеми, но живите системи се учат от собствения си опит, събират информация за средата си и я използват, за да формират поведението си в бъдеще. (В този вид гените просто ви дават най-основните елементи с общо предназначение, от които се нуждаете.)
Вярно е, че тази прогноза не е нещо спомагателно. Според проучване на Сюзън Стил от Университета на Хаваите, Гевин Кроукс, бивш служител на Националната лаборатория на Лорънс Беркли, Калифорния, и техните колеги, способността да се предсказва бъдещето изглежда е основна за всяка енергоефективна система на случаен принцип променлива среда.
Все пак и нейните колеги показват, че съхраняването на информация за миналото, която не е ценна за прогнозиране на бъдещето, идва с термодинамични разходи. За да бъде възможно най-ефективна, системата трябва да бъде избирателна. Ако тя помни всичко безразборно, тя ще претърпи големи загуби на енергия. От друга страна, ако тя изобщо не се погрижи да съхрани поне малко информация за средата си, тя ще трябва да положи много усилия през цялото време, за да се справи с неочакваното. „Термодинамично оптимален механизъм трябва да балансира паметта и прогнозирането, като минимизира носталгията - безполезна информация за миналото“, казва съавторът Дейвид Сивак, понастоящем от университета „Саймън Фрейзър“в Барнаби, Британска Колумбия. Накратко казано,той трябва да се научи да натрупва значима информация - тази, която е най-вероятно да бъде полезна за бъдещото оцеляване.
Може да се очаква, че естественият подбор благоприятства енергийно ефективни организми. Но дори отделните биомолекулярни устройства, като помпи и двигатели в нашите клетки, трябва по някакъв начин да се учат от миналото по важни начини, за да предвидят бъдещето. За да постигнат своята забележителна ефективност, все пак каза, тези устройства трябва „имплицитно да изграждат богато разбиране на явленията, с които са се сблъсквали дотогава, което би им позволило да предсказват бъдещи събития“.
Термодинамика на смъртта
Дори ако някои от тези основни характеристики на обработката на информация от живи системи, при липса на еволюция или репликация, вече се дължат на неравновесната термодинамика, може да се предположи, че по-сложните характеристики - да речем, използването на инструменти или социалното сътрудничество - трябва да бъдат осигурени от еволюцията.
Но не бива да разчитате и на това. Тези поведения, които обикновено се считат за изключителен домейн на високо еволюирали примати и птици, могат да бъдат симулирани с помощта на прост модел взаимодействащи частици. Номерът е, че системата се контролира от ограничение: тя действа по такъв начин, че максимално увеличава количеството ентропия (в този случай се определя, като се вземат предвид различните възможни пътища, по които частиците биха могли да изминат), които генерира за определен период от време.
Максимизацията на ентропията отдавна се счита за характеристика на неравновесните системи. Но системата в този модел се подчинява на правило, което му позволява да изтласка ентропията до ограничението през определен фиксиран времеви прозорец, който се простира в бъдещето. С други думи, тя е в състояние да предвиди. По същество моделът отчита всички възможни пътища на частиците и ги принуждава да следват пътя, който произвежда най-много ентропия. Грубо казано, това е един вид път, който отваря най-голям брой възможности за движение на частици в бъдеще.
Може да се каже, че системата от частици има някакво желание да поддържа свобода на действие в бъдеще и че това желание по всяко време насочва нейното поведение. Изследователите, разработили този модел - Александър Уиснър-Грос от Харвардския университет и Камерън Фрийър, математик от Масачузетския технологичен институт - го наричат "причинна ентропична сила". При компютърни симулации на конфигурации на дисковидни частици, движещи се в кръгове при определени условия, тази сила дава резултати, които зловещо подсказват за интелигентност.
В един случай големият диск успя да "използва" малкия диск, за да извади втория малък диск от тясната тръба - процес, подобен на използването на инструмент. Освобождаването на диска увеличи ентропията на системата. В друг пример, два диска в отделни заливи са синхронизирали поведението си, за да свалят по-големия диск надолу, така че да могат да взаимодействат с него, като по този начин създават облика на социалното сътрудничество.
Разбира се, тези прости взаимодействащи агенти получават доходоносен поглед в бъдещето. Животът по правило го няма. Тогава какво общо има това с биологията? Отговорът не е ясен, въпреки че Wissner-Gross казва, че в момента работи за създаването на „практичен, биологично правдоподобен механизъм на причинно-следствените ентропични сили“. В същото време той смята, че такъв подход предоставя допълнителни, полезни в практиката възможности, предлага бърз достъп до изкуствен интелект. „Моите прогнози са, че по-кратък път към постигането му е първо да се открие това поведение и след това да се работи в обратна посока, като се започне от физическите принципи и ограничения, вместо да се работи на базата на конкретни методи за изчисляване или прогнозиране.“той твърди. С други думи, първо намерете системата,кой прави това, което искате тя да направи и след това да разбере как го прави.
Стареенето също традиционно се разглежда като еволюционна черта. Организмите имат живот, който създава възможности за възпроизводство, и в същото време, както се казва, перспективите за оцеляване на потомството не са възпрепятствани от родители, които се намират твърде наблизо и се състезават за ресурси. Това изглежда е вярно, но Хилдегард Майер-Ортманс, физик от университета в Джейкъбс в Бремен, Германия, смята, че в крайна сметка застаряването е физически, а не биологичен процес, управляван от термодинамиката на информацията.
Разбира се, проблемът не е само в износването. „Голяма част от меките материали, от които сме направени, се подновяват, преди да остареят“, казва Майер-Ортманс. Но този процес на подновяване не е перфектен. Термодинамиката на копирането на информация изисква баланс между прецизност и енергия. Тялото разполага с ограничени енергийни ресурси, следователно с течение на времето със сигурност ще се натрупват грешки. Тогава тялото е принудено да харчи все повече и повече енергия, за да поправи тези грешки. Процесът на подновяване произвежда копия, които са твърде повредени, за да функционират правилно, последвани от смърт.
Емпиричните доказателства изглежда подкрепят това. Отдавна е известно, че култивираните човешки клетки изглежда могат да се размножават не повече от 40-60 пъти (така наречената граница на Hayflick), преди този процес да спре и да започне стареенето. И последните проучвания на продължителността на живота на човека сочат, че има основна причина за факта, че повечето хора не могат да преживеят век.
Съществува естествено следствие, че това привидно стремеж към енергийно ефективни организирани системи за прогнозиране възниква в течна, неравновесна среда. Самите ние сме такива системи, като всички наши предци до първата примитивна клетка. И неравновесната термодинамика изглежда ни подсказва, че точно това има значение при тези обстоятелства. С други думи, появата на живот на планета като планетата Земя в ранните си етапи на съществуване, с многото си източници на енергия, като слънчева светлина и вулканична активност, които продължават да поддържат дисбаланс, започва да изглежда вече не особено малко вероятно събитие, както смятат мнозина учени, но практически неизбежно. През 2006 г. Ерик Смит и покойният Харолд Моровиц от Института Санта Фе спорихаче термодинамиката на неравновесните системи прави появата на организирани сложни системи много по-вероятна в пребиотични условия на Земята, далеч от равновесие, отколкото би било, ако оригиналните химически съставки просто седяха и кипваха тихо в „малко топло езерце“(по думите на Чарлз Дарвин) …
Десетилетие след като съобщението е направено за първи път, изследователите са добавили повече подробности и по-задълбочени познания за феномена. Качествата, които Ернст Мейр счита за основни за биологията - смисъл и намерение - могат да възникнат като естествено следствие от статистиката и термодинамиката. А тези общи свойства от своя страна могат естествено да доведат до някаква прилика на живота.
В същото време астрономите ни показват колко светове се въртят около други звезди в нашата Галактика: според някои оценки те са в милиарди. Много от тях са далеч от равновесие и поне някои са подобни на Земята. И там, разбира се, важат същите правила.
Филип Бал
