Что такое жизнь? Как отвечает на этот вопрос современная наука. Немного о недостатке времени и азартных играх

“На огромной свалке в беспорядке разбросаны все части от авиалайнера «Боинг-747», разобранного, что называется, до болта и гайки. Тут случается пройтись по свалке страшной силы смерчу-урагану. Каковы шансы того, что после подобного смерча на свалке будет стоять полностью собранный «Боинг», готовый отправиться в полет? (Уровень сложности простейшей живой клетки примерно сопоставим с количеством деталей авиалайнера.)”

Фред Хойл “Разумная Вселенная”

         Ну что же, уважаемый читатель. Твой интерес к поднятой  в первой статье цикла проблеме несомнен и потому, если позволишь, мы продолжим наш разговор.

          В 1981 году вышла в свет книга двух известных ученых – астрофизика Фреда Хойла, астронома и математика Налин Чандра Викрамасингха  «Эволюция из Космоса» и буквально через 2 года Фред Хойл опубликовал еще одну книгу «Разумная Вселенная», которые почти мгновенно стали бестселлерами. В этих книгах была заложена основа теории панспермии, теории, в основе которой лежит утверждение о том, что основы биологической эволюции на нашей планете были заложены Творцом - разумом, значительно превосходящим наш разум, который сформировался каким-то естественным путем в безграничной и вечной Вселенной. Основная аргументация этого утверждения выглядит следующим образом:

- Нелепо предполагать, что информация, которую несет одна простейшая бактерия, путем репликации может развиться так, что бы появился человек и все живые существа, населяющие нашу планету. Этот, так называемый, здравый смысл равнозначен предположению, что если первую страницу «Книги Бытия» переписать миллиарды миллиардов раз, то это приведет к накоплению достаточного количества ошибок и, следовательно, достаточного многообразия для появления не только всей Библии целиком, но и всех книг, хранящихся в крупнейших библиотеках мира…. Число перестановок, необходимых для появления жизни, на многие порядки превышает число атомов во всей видимой Вселенной. Скорее ураган, проносящийся по кладбищу старых самолетов, соберет новёхонький суперлайнер из кусков лома, чем в результате случайных процессов возникнет из своих компонентов жизнь. (Цитируется по статье Г.Р.Иваницкого [3])

         В теории панспермии рассматривается и другое, якобы противоречие, которое возникает при рассмотрении процесса репликации (воспроизведения) ДНК (Рис.1). 

Хорошо известно, что сам процесс репликации в природе регулируется ферментом. Этот фермент движется по цепочке ДНК для образования её копии и считывает всю, содержащуюся в ней информацию о генетическом коде. В случае, когда обнаруживается ошибка – в цепочке стоит не тот нуклеотид, в дело включается другой фермент, способный “вырезать” неправильный элемент и восстановить нужный порядок нуклеотидов. Иными словами, помимо ДНК в природе существуют копирующий и ремонтирующий механизмы. 

Сторонники панспермии в таком случае утверждают. Действительно ли такой механизм был сформирован случайными естественными процессами? Положим, что в результате этих процессов возникла ДНК, тогда откуда природа знала, что ей потребуются копирующий и ремонтирующий механизмы? Если эти механизмы возникли прежде появления ДНК, какой в них смысл? Если первой возникла ДНК, то она с неизбежностью бы распалась, поскольку ДНК нестабильная молекула и в результате естественных процессов быстро распадается. Как можно в таком случае объяснить ее существование в течение миллионов лет в условиях отсутствия механизмов копирования и ремонта? Отсюда следует вывод, что механизм случайных изменений не мог привести к образованию жизни на нашей планете. Иными словами, создателями и сторонниками теории панспермии был фактически сформулирован еще один парадокс – парадокс дефицита времени.

Разрешение этого парадокса довольно не сложно. Очевидно, что сборку целого из элементов можно осуществлять по схеме  снизу – вверх, т.е. собирая маленькие блоки и последовательно переходя от маленьких блоков к большим. Иными словами, начиная от атомно-молекулярного уровня и переходя к уровню живого организма. На самом деле именно так происходит развитие и усложнение живых организмов. Таким образом, самой природой было сформулировано правило блочно-иерархической сборки. При этом выигрыш времени по сравнению с поэлементной сборкой становится очень большим.

Этот выигрыш довольно несложно вычислить, опираясь на те же математические методы, которые использовали авторы теории панспермии. Расчет, опирающийся на комбинаторику, позволяет получить выражение для временного выигрыша при такой блочно-иерархической схеме сборки. Приблизительное выражение для этого временного выигрыша имеет вид:

A ~ exp{N(lnN-1)},

где А – временной выигрыш, N – число элементов низшего уровня в системе. Видно, что временной выигрыш при блочно-иерархической сборке по сравнению с поэлементной сборкой растет экспоненциально при увеличении количества элементов, из которых собирается система. Уже при значении N=16 выигрыш во времени составляет по порядку величины единицу с восемнадцатью нулями!

Нужно заметить, что с принципом блочно-иерархической сборки очень хорошо знакомы не только биофизики, но и  все инженеры. Ведь ни для кого не является тайной, что все высокотехнологические изделия человечества создаются именно на основе такой блочно-иерархической сборки. Трудно себе представить сборку, например, океанского лайнера, выполняемую  поэлементно.

Теперь можно сделать вывод о том, что теория панспермии, основными идеологами которой были Ф.Хойл и Н.Ч.Викрамасингх, хоть и является достаточно красивой и заманчивой, но не имеет под собой никаких оснований. Основная аргументация сторонников этой теории опровергается очень легко. Так что нам стоит “спуститься с небес на землю” и продолжить наше рассмотрение.

Чарльз Дарвин, формулируя свою теорию эволюции, утверждал, что основной движущей силой эволюции является наследственность, изменчивость и естественный отбор. Но дело в том, что, например, отбор не может быть движущей силой. Отбор, по сути, есть процедура редуцирования (сокращения популяции) и может происходить только из того, что уже есть, тем самым, понижая разнообразие существующего живого мира. Если отбор и существует – он может происходить только в рамках уже существующей популяции организмов.

Есть и еще один момент в дарвиновском определении эволюции. К сожалению, определение изменчивости по Дарвину является не вполне удовлетворительным. Сейчас под этим термином понимают процесс самоусложнения живых организмов. Но тут же возникает вопрос – как реализуется в природе процесс самоусложнения? Ведь для увеличения разнообразия живых организмов должна существовать некоторая сила, определяющая направление в этом процессе усложнения. Таким образом, мы подошли, наверное, к самому главному вопросу нашего обсуждения – почему все живое обладает тенденцией к усложнению и расширению ареала своего существования? Иными словами, нам нужно будет понять, каким образом из случайного симметричного хаотического процесса возникает направленный процесс?

Изначально проблема возникновения направленности процесса, протекающего в симметричных хаотических условиях, рассматривалась в рамках теории вероятностей в связи с азартными играми. При математическом исследовании азартных игр, можно было увидеть, каким образом в случайной хаотической системе возникают процессы самоусложнения, возникновения разномасштабных временных шкал определенной направленности и многое другое, что характерно для развития живых организмов. Попробуем это увидеть и мы.

Рассмотрим простейшую игру – подбрасывание монетки. Если эту монетку подбрасывать много раз, то мы получим последовательность удач (выигрышей) и неудач (проигрышей). Если рассмотреть этот процесс подробней, то в нем обнаружатся периоды (кластеры) удач и кластеры неудач. За бесконечный интервал времени, поскольку этот процесс является случайным,  вероятности выигрыша и проигрыша одинаковы, так что играющий не может ни выиграть, ни проиграть. Поставим перед собой вопрос – может ли играющий нарушить симметрию между выигрышами и проигрышами в свою пользу? А если может, то не использовала ли живая природа подобную стратегию в своем развитии?

В начале XVIII века Даниил Бернулли в записках Санкт-Петербургской академии наук опубликовал работу, в которой был сформулирован парадокс о разорении игрока. Этот парадокс был связан с возникновением целого набора временных шкал удач и неудач, формирующихся внутри случайного процесса, когда внутри него начинает проявляться предыстория события и исход процесса начинает зависеть от того, в какую полосу выигрыша или проигрыша попал игрок. Парадокс заключается в следующем.

Нам кажется, что когда в очередной раз бросается монета, все предыдущие результаты игры забыты, и игра каждый раз начинается снова. Вероятности каждой новой игры не зависят от того, чем закончилась предыдущая игра. Это и означает, что не существует стратегии, которая может гарантировать либо выигрыш, либо проигрыш. Иными словами, если противопоставить случайность выпадения либо орла, либо решки со случайностью угадывания исхода броска – всегда останешься при своих деньгах. Ни выигрыш, ни проигрыш в этом случае невозможен. Однако, жизнь показывает, что это не так. Всегда существуют и выигравшие и проигравшие. Возникает вопрос – в чем причина этого противоречия?

Попробуем увидеть эту причину и мы, полагая при этом, что игроком является живая материя, а крупье – окружающая среда. Понятно, что игрок никаким образом не может повлиять на исход бросания монеты – её бросает крупье, но, тем не менее, игрок может управлять самим процессом выигрышей и проигрышей в каждой игре. Для этого ему нужно только изменить ставку в зависимости от исхода последней игры. Если игрок будет обладать памятью и запоминать хотя бы последний результат – он сможет изменить свою ставку. Тогда событие подбрасывания монетки будут иметь для игрока иную цену. Независимая вероятность исхода игры станет зависимой. Понятно, что целью выбранной игроком стратегии будет внесение асимметрии в последовательность исходов игры и сделать это в свою пользу. Эту стратегию игрок может выбирать различными способами.

Такая стратегия может быть выбрана, например, следующим способом. Положим, что игрок  выиграл при первом броске. Тогда имеет смысл предположить, что он попал в полосу удач и при таком предположении имеет смысл увеличить ставку. Если игрок проигрывает – ставка уменьшается и поддерживается на минимальном уровне, пока не выпадет выигрыш.  Тогда в зависимости от коэффициента увеличения или уменьшения ставки игрок может выиграть большую или меньшую сумму. Конкретное значение этого коэффициента будет определять размер суммы денег, которой этот игрок обладает.

Таким образом, игрок (живая материя) вносит асимметрию в симметричное распределение вероятностей, создаваемых внешней средой (крупье). Если говорить “умными” словами – это простейший пример образования цикла с переменным коэффициентом обратной связи в случайном процессе.  И видно, что асимметрия возникает не в результате бросания монетки (внешнего случайного процесса), а в результате правильного выбора стратегии изменения ставки (выбора отклика живой материи на изменение среды, выбора стратегии выживания).

Таким образом, можно прийти к выводу, что величайшей находкой природы было появление элементарной памяти хотя бы на один цикл изменения внешней среды. Эта находка и позволила в итоге разделить всю материю на живую и неживую. Благодаря этой памяти у живой материи появилась возможность прогнозирования, пускай и не точного, изменений окружающей среды. Одним из видов такой памяти является генетический код, но эта память направлена на масштабирование игры, игры во временных масштабах существования данного вида живого организма. Существует в природе и память, имеющая не такие «эпохальные» масштабы. Хорошо известно, что любая последовательная химическая реакция обладает памятью.

Положим, что у нас имеется химический реактор, в котором производится синтез довольно сложного органического соединения. Процесс синтеза происходит на блочно-иерархической основе. То есть, процесс идет в несколько этапов с постепенным усложнением структуры получаемого вещества. Причем и на этапах синтеза промежуточных соединений и на этапе синтеза конечного вещества химические реакции обратимы и могут, в зависимости от условий в реакторе, идти как по пути синтеза, так и по пути разложения продукта реакции. Такие химические реакции называются последовательными. Понятно, что чем больше протяженность химического цикла по времени при благоприятных условиях, тем дальше успевает продвинуться по всей цепочке реакций процесс синтеза сложного соединения и тем меньше остается в реакторе исходных веществ и тем меньше вероятность обратного пути реакции к исходным компонентам. Это и есть память цикла химических реакций о прошлом.

Примером химической реакции, в которой эта память обнаруживается достаточно просто – реакция Белоусова – Жаботинского. Это класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором периодически изменяются некоторые параметры реакции – цвет, температура и прочее, образуя сложную пространственно-временную структуру среды, в которой осуществляется эта реакция (Рис.2).

Мы обсудили первый из вопросов, которыми завершилась первая статья этого цикла. Обсуждение иных аспектов понимания жизни современной наукой мы продолжим в следующей статье.

Литература

1. В.Л. Гинзбург, Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными.- Успехи физических наук, Т.169, №4, 1999,  с. 419 – 441.
2.  Э.Шредингер, Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки. – R&C Dynamics, Москва-Ижевск, 2002.
3. Г.Р.Иваницкий, XX1 век: что такое жизнь с точки зрения физики, - Успехи физических наук, т. 180, №4, 2010, с. 337 – 369

Алексей Гопман

Специально для портала «ОКО ПЛАНЕТЫ»

* При цитировании и копировании ссылка на ОКО ПЛАНЕТЫ обязательна