Все мы,- дети солнца!

ОПЫТ РАССУЖДЕНИЯ О ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Положение жизни в научном мироздании нам

совсем неясно. Мы не только не знаем, куда

надо поставить линию жизни в научной

реальности, но обходим в науке саму проблему.

В. И. Вернадский

Проблема происхождения жизни на Земле была и остается для науки одной из самых интересных, сложных и спорных. Последние успехи молекулярной биологии вдохнули во многих новые надежды на возможность ее решения. Фактически все исследователи-материалисты, занимающиеся происхождением жизни, предполагают, что первые живые системы образовались естественным путем за счет удачной комбинации простых органических молекул, Ведь они (вплоть до аминокислот) обнаружены даже в космическом пространстве. Экспериментально доказано, что многие органические соединения образуется в атмосфере метана и углекислого газа под действием ультрафиолетового излучения и электрических разрядов. Однако, несмотря на эти факты, гипотеза о происхождении первых живых систем за счет процессов случайной перекомбинации молекул простых органических соединений, судя по всему, оказалось несостоятельной. К этому выводу в наши дни приходят многие, и мы постараемся доказать его.

Особенности живых систем

Для известных нам живых систем характерна прежде всего клеточная организация. Любой живой организм состоит из клеток, простейшие организмы – только из одной клетки. В самой простой клетке непрерывно происходит около двух тысяч строго согласованных сложных химических реакций, осуществляющих синтез и модификацию органических веществ, необходимых для ее жизнедеятельности. В более сложных клетках число таких реакций превышает десять тысяч. Живые клетки содержат молекулы, включающие в себя сотни тысяч атомов, а общее количество атомов в клетках может достигать десятков миллионов. Далее, все живые организмы обладают свойством самовоспроизведения, то есть являются самовоспроизводящимися автоматами. Самовоспроизведение осуществляется за счет универсального генетического аппарата, реализованного на внутриклеточном уровне и обладающего запасом генетической информации. как раз появление свойства самовоспроизведения живых систем не находит объяснения за счет естественных процессов объединения органических молекул. Впервые проблему синтеза самовоспроизводящихся систем исследовал знаменитый Дж. Нейман. Он показал, что даже при значительном упрощении задачи самовоспроизводящийся автомат должен содержать сотни тысяч весьма сложных элементов, соединенных вполне определенным образом. Сложность живых клеток полностью подтверждает оценки Неймана. Самовоспроизводящаяся система должна быть не только очень сложной, но и иметь весьма специфическую организацию внутренних информационных и энергетических процессов.

Проведем хотя бы приближенную завышенную оценку вероятности возникновения самовоспроизводящейся системы (а в принципе любой достаточно сложной в информационном отношении молекулярной системы) естественным путем. Для наглядности воспользуемся языковой моделью сложной системы, сопоставив имеющимся в окружающей среде деталям будущей системы (простым органическим соединениям) буквы некоторого алфавита, например, русского. Тогда функциональным узлам системы будут соответствовать слова этого языка. Сразу же обнаруживается глубокая аналогия между некоторой системой и ее языковым представлением. В частности, как не любое сочетание букв образует слово из словаря данного языка, так и не любое произвольное сочетание деталей образует функциональный узел, пригодный для включения в состав данной системы. Если рассматриваемая система может быть реализована из сотни функциональных узлов, то ее языковая модель может быть представлена набором сотни определенных слов с указанием связи между ними. Пусть для конкретности нашей языковой модели системы используется алфавит из 32 букв. Положим далее, что в словаре языка используются только пятибуквенные слова, а общее число слов в словаре составляет 130 тысяч. При случайном выборе пяти последовательных букв вероятность образования произвольного слова из словаря языка будет равна 2^(-8). Если оценить вероятность одновременного образования хотя бы ста произвольных слов, то она составит 2^(-800), или приблизительно 10^(-240). Таким образом, даже одновременное образование только сотни произвольных функциональных узлов, не говоря уже о синтезе из них определенной системы, происходит с невообразимо малой вероятностью. На это можно возразить, что Вселенная почти бесконечна, у нее почти бесконечные ресурсы пространства, времени и материи, и в этой бесконечности всегда можно дождаться момента, когда реализуются сколь угодно малые вероятности. Но мы недаром в этом предложении дважды использовали слово «почти» по современным научным данным, вселенная невообразима велика, но конечна. Возраст Вселенной оценивается в 15 – 20 миллиардов лет, то есть около 6*10^17 с, а ее радиус соответственно равен 15-20 миллиардам световых лет, то есть около 1,8*10^28см. Поэтому в такой Вселенной за все время ее сосуществования может произойти только конечное число событий конечной длительности. В частности, если считать массу простейших «деталей» организованной системы равной массе протона, а время образования сложной системы из сотен деталей принять равным 10^(-12) с (время установления химической связи), то, если даже все вещество Вселенной с момента ее образования до настоящего времени будет объединяться в сложные химические системы, общее число событий во Вселенной не превысит числа 10^140! Считая упомянутую выше языковую модель из ста произвольных слов моделью нашей системы, получим, что вероятность образования такой сложной системы за счет процессов естественной комбинации молекул даже для всей Вселенной не превышает 10^(-130), то есть фактически равна 0.

Отсюда следует, что органическая жизнь самопроизвольно, в результате случайного стечения обстоятельств, образоваться не могла ни на Земле, ни в любом другом месте Вселенной. Но если органическая жизнь зародилась не самопроизвольно, то она могла возникнуть только как продукт целенаправленной деятельности некоторой «материнской» сложной системы. Подобное заявление на первый взгляд может показаться фантастическим. Но немного терпения, автор считает, что высокая степень информационной организованности не является привилегией только органической жизни, а присуща и другим естественным материальным телом. Организация, влекущая за собой целенаправленное поведение, может возникать и существовать во Вселенной на очень разной физической основе. Фундаментальные законы природы не противоречат этому утверждению, и ниже мы постараемся указать вероятные пути возникновения такой самоорганизации.

Как могла образоваться «материнская» система

Накопление сложности и совершенствование организации системы за счет естественных процессов противоречит, на первый взгляд, второму закону термодинамики. Но закон возрастания энтропии в замкнутых системах не всегда применим к открытым системам, которые используя энергетические градиенты среды, могут достаточно длительное время сохранять свою энтропию или даже понижать ее. Достаточно ярким примером подобных явлений, обеспечивающих локальное явление или даже уменьшение энтропии, могут служить гидрологические и геологические процессы.

Но нас интересуют системы, в которых негэнтропия увеличивается не на короткое время, а может накаливаться систематически достаточно долго. Такие системы, в которых возможно постепенное, длительное накопление негэнтропии, то есть увеличение степени организованности за счет естественных процессов, мы назовем негэнтропийными системами (НЭС). Если система не является самовоспроизводящейся, то накопление организации и сложности возможно только тогда, когда эволюционизирующая система существует в среде достаточно длительно. Точнее, необходимо, чтобы в ней средняя скорость убывания энтропии была выше средней скорости ее возрастания. Далее, чтобы обеспечить высокую информационную сложность системы, необходимо, чтобы она содержала большое число «первичных» элементов. Отсюда следует, что сложные системы могут образоваться только в нелинейных средах, в которых отдельные фрагменты среды могут, при определенных условиях, объединяться как-то физически друг с другом. Причем такое объединение, с одной стороны, не должно потенциально ограничивать число объединенных элементов, а, с другой стороны, должно допускать некоторый произвол объединяемых частей. Прекрасным примером такого объединяющегося элемента может служить углерод в химических реакциях синтеза органических соединений.

Любая НЭС на достаточно коротком интервале времени может рассматриваться как самосохраняющуюся систему можно отнести к НЭС. Действительно, чтобы система самосохранялась при наличии возмущающих воздействий со стороны среды, она должна обладать «по терминологии Ляпунова) «сохраняющими» реакциями, то есть тем или иным способом препятствовать своему разрушению. Все подобные системы можно разделить на два класса. К первому отнесем те из них, в которых энергия связи между элементами значительно превышает среднюю энергию возмущений, действующих на элементы со стороны среды. Примерами таких систем в земных условиях могут служить атомные ядра стабильных элементов, молекулы кислорода и многих других газов в атмосфере, кристаллы многих твердых тел, камни, горные породы и т. д. Такие самосохраняющиеся системы мы назовем статическими: в силу своей консервативности они не могут эволюционировать, а потому и не могут являться НЭС. Ко второму классу динамических систем отнесем те самосохраняющиеся системы, элементами сравнима со средней энергией возмущений в среде. Подобные системы, в отличие от предыдущих, чувствительны к внешней среде и могут эволюционировать за счет «мутаций», создаваемых возмущениями среды. Именно к этому классу относятся наши негентропийные системы.

Устойчивость любой подобной системы можно оценить временем ее существования. Чем больше время существования системы, тем больше ее устойчивость и тем лучше она «приспособлена» к окружающей среде. Система остается той же самой, пока силы связей между ее элементами больше внешних сил, действующих на систему. Любая система обеспечивает свою устойчивость к разрушающему действию внешней среды, изменяя либо количественные характеристики связи между своими элементами, либо качественное взаимодействие их, то есть свою структуру, либо используя оба приема совместно.. Последний способ действия является наиболее гибким и характерен для так называемых «ультрастабильных» систем, впервые исследованных известным английским кибернетиком У.Эшби.

Эшби построил весьма простую электромеханическую модель ультрастабильной системы, названную им гомеостатом. Этот прибор при слабых внешних возмущениях изменяет только количественные характеристики связи между своими элементами. Если же на него оказывают более сильные воздействие, то он меняет свою структуру до тех пор, пока она не станет устойчивой к воздействию. Можно сказать, что гомеостат как бы старается приспособиться к внешней среде, меняя связи и взаимодействия между своими элементами. Поведение, характерное для гомеостата, встречается зачастую в природе, например, перестройка пространственной структуры молекул при изменении давлений и температур, поведение плазмы сильных электрических и магнитных полях и т. д. Большое количество явлений подобного рода используется новой наукой – синергетикой, занимающейся проблемами самоорганизации в термодинамически открытых нелинейных системах.

Среди динамических систем ультрастабильные будут характеризоваться, в среднем, наибольшим временем существования в данной среде. Учитывая, что ультрастабильность в принципе не требует высокого уровня информационной сложности, можно надеяться, что такие системы достаточно широко распространены в природе, так как они могут возникать при благоприятных условиях за счет случайных процессов. Однако простейшие ультрастабильные системы, в которых при перестройках структуры число элементов только сохраняется или даже убывает, не могут накопить достаточный запас негэнтропии и поэтому через более или менее продолжительный промежуток времени будут разрушаться внешними возмущениями, так как обладают ограниченными возможностями адаптации в среде. Существенно шире адаптационные возможности у сложных ультрастабильных систем. Поэтому если в среде возможно объединение ультрастабильных систем, то выживать преимущественно будут сильно кооперированные системы, особенно те, у которых процесс роста продолжается. Такие объединения мы называем «растущими» ультрастабильными системами. В книге «Конструкция мозга» Эшби показал, что сложные ультрастабильные системы, состоящие из относительно слабосвязанных частей, могут сохранять достаточно высокую скорость реакции на внешние возмущения и обеспечивать хранение информации о внешней среде. Такие системы вполне естественным путем могут приобрести свойство опережающего отражения действительности за счет накопления информации о внешней среде.

Растущие ультрастабильные системы являются основным случаем НЭС. Если в достаточно обширной среде имеются растущие ультрастабильные системы, то процесс эволюции среды («естественный» отбор) приведет к тому, что, в конечном итоге, в ней образуется одна огромная ультрастабильная система с высокой организованностью и длительным сроком существования, определяемым практически только сроком стабильного существования среды. Число элементов и информационная сложность такой системы могут быть сколь угодно большими. В эту систему будет практически включено все вещество среды, способное к интеграции.

Где искать «материнскую» систему земной жизни.

Прежде всего оценим возможность образования и существования подходящих НЭС на нашей планете. Учитывая географические характеристики Земли в прошлом и настоящем, можно сделать вывод, что единственной подходящей квазистационарной нелинейной средой могли быть водные растворы различных химических соединений (в первую очередь, органических) в первичным океане. Земной океан существует четыре миллиардов лет, доказана возможность абиогенного синтеза многих органических соединений под действием ультрафиолетового облучения, электрических разрядов, вулканической деятельности. По мнению ряда ученных, концентрация органических веществ в водах первичного океана могла достичь 1 –2%. Академик А. И. Опарин показал, что при некоторых условиях в растворах соединений могут образоваться так называемые коацерватные капли, в которых концентрация органических соединений значительно выше, чем в окружающей среде. Однако вероятные расчеты, подобные приведенным в начале статьи, показывают, что на Земле не могли образоваться НЭС достаточной сложности. Во-первых, внешние условия образующихся химических систем изменялись слишком быстро и в очень широком диапазоне, в частности, за счет течений, вулканической активности, частого интенсивного волнения и перемешивания поверхностного слоя воды, что приводило к частому механическому дроблению сколько-нибудь крупных систем. Во-вторых, объемы, в которых они могли образоваться, были очень ограниченными. Межпланетная и межзвездная среда также, по нашему мнению, не удовлетворяет условиям возникновения НЭС большой сложности ввиду обедненности ее веществом и энергией, а также высокой чувствительности к внешним физическим воздействиям.

Автор считает, что наиболее полно требуемые условия могут выполняться на таких объектах, как звезды. Физические условия на звезде практически не зависят от условий в окружающем ее пространстве. То есть многие звезды можно считать достаточно стабильными системами с интервалом относительной стабильности в несколько миллиардов лет. предположим, что материнская НЭС возникла на ближайшей к нам звезде – Солнце и оценим следствия этого предположения. Пусть «строительным» материалом для НЭС служит плазма с температурой от Т1 до Т2. тогда считая, что НЭС является конечным продуктом растущей ультрастабильной системы, нужно заключить, что практически все вещество в сферическом слое звезды с температурами, от Т1 до Т2 включено в состав НЭС. Если даже масса этого вещества не превышает 0,1 % массы звезды, то и тогда подобная система может содержать порядка 10^26-10^30 информационных элементов, то есть на несколько порядков превосходить информационный потенциал современного человечества. НЭС такого масштаба, структуры, сложности и энергетического потенциала в состоянии достаточно эффективно регулировать энергетику своей звезды в соответствии с внутренними целями и потребностями. Поэтому активность таких «организованных» звезд должна быть достаточно высокой и сложной. Научные наблюдения поведения Солнца подтверждают этот вывод. Оно характеризуется большими спонтанными изменениями активности, которые проявляются в виде солнечных бурь, появлением на поверхности пятен, сложной структурой и динамикой поверхностных магнитных полей, выбросами с поверхности протуберанцев, изменением интенсивности и спектра радиоизлучения и т.д. Некоторые из протуберанцев (так называемые «спокойные») могут существовать в солнечной короне в течение нескольких недель, не меняя существенно своих размеров и формы и сохраняя низкую внутреннюю температуру (около 10^4К) при температуре короны более 10^6К.

Далее, материнская НЭС должна иметь каналы управления созданной ею органической жизнью. Действительно, в исследованиях А.Л. Чижевского и его последователей обнаружена удивительная зависимость интегральной активности биоценозов от явлений, происходящих на Солнце, хотя с классической точки зрения на возникновение жизни такая зависимость кажется чрезвычайно странной. Если же предположить, что чувствительность к солнечной активности заложена на стадии синтеза исходных самовоспроизводящихся систем, то указанное противоречие легко объясняется.

Таким образом, весьма вероятно, что исходная материнская НЭС около четырех миллиардов лет тому назад синтезировала исходные самовоспроизводящиеся системы на наиболее подходящей для этого планете, которой, в силу выявленных шкалой Опарина условий, стала Земля.

Возникает вопрос, а затем ей «нужен» был такой синтез, да еще в форме органической жизни. Можно предложить наличие двух возможных причин подобного акта.

Первая причина предполагает, что «организованная» звезда «стремится» распространить организацию в окружающее ее пространство с целью большего его упорядочивания, создания «буферной» зоны организованности в своих окрестностях для увеличения степени своего контроля над иначе недоступной ей окружающей средой. Самой звездой непосредственная организация пространства может производится только в самых близких окрестностях, так как существование материи в форме плазмы требует наличия постоянных достаточно мощных источников энергии. А запас энергии у любого возможного «зонда», посылаемого звездой, естественно, весьма ограничен. Используя же высокоорганизованную низкоэнергетическую форму материи (твердые тела, химические соединения), НЭС в принципе может решить проблему передачи организации в окружающую среду. Использование же самовоспроизводящихся систем для этой цели имеет то преимущество, что незначительный по объему исходный материал, попадая в благоприятные условия, быстро размножается, завоевывая все доступные экологические ниши, и может в процессе естественной эволюции достичь достаточной степени сложности, чтобы воздействовать на космические процессы в своих интересах, а со временем и в интересах материнской системы. Вторая причина, «побудившая» Солнце создать органическую жизнь, может быть связана с запрограммированностью материнской НЭС на решение этой задачи некоторой дркгой организованной сверхсистемой уже галактического масштаба.

Станет ли человечество материнской системой

машинной цивилизации

Сегодняшние тенденции науки и техники показывают, что человечество форсировано идет к созданию саморазвивающихся сложных технических комплексов. Об этом свидетельствует всевозрастающая интенсификация производства, широкое распространение автоматизированных средств сбора, накопления и обработки информации, проектирования, производства и управления сложными системами и промышленным производством. Непрерывно совершенствуется информационно-вычислительная техника и ее элементная база, осуществляется широкая интеграция различных систем и производства, совершенствуются средства связи.

Естественно, что закономерным итогам такой тенденции будет появление сложных многокомпонентных технических систем, обладающих автономностью и способностью к саморазвитию. Здесь под саморазвитием мы понимаем способность таких сложных комплексов накапливать полезную информацию, энергию, вещество и использовать их для дальнейшего повышения степени своей организованности, то есть для совершенствования способностей накопления и использования информации, энергии и вещества. В частности, подобные системы смогут проектировать и производить требуемые для них компоненты, а в случае необходимости осуществлять их замену или ремонт. Первые подобные автономные технические системы появятся, повидимому, уже через 50 – 100 лет и будут способствовать удовлетворению текущих потребностей человечества в материальных и духовных благах. Таким образом человечество своими руками начало как материнская система творить очередную дочернюю систему «жизни» на гораздо более универсальной, чем у него самого, материальной основе. Учитывая энергетическую и материальную «всеядность» автономных технологических систем, естественно предположить, что они смогут легко адаптироваться к любым внешним физическим условиям, в том числе и космическим. В их выход в космос неизбежен после исчерпания материальных и энергетических ресурсов Земли.

Ясно, организовать системы тем больше, чем больше у нее запас вещества, управляемой энергии и чем богаче у нее информационные возможности. Академик В. М. Глушков предложил оценивать информационные возможности электронных вычислительных машин их информационной производительностью, то есть эквивалентным числом логических операций, выполняемых системой в единицу времени. Если логические операции могут выполняться параллельно и одновременно различными частями системы, то информационная производительность пропорциональна числу таких частей и средней скорости обмена информацией между ними. В атомных технологических системах, ввиду их больших размеров, средняя скорость обмена информацией между частями системы будет обратно пропорциональна размерам системы.

Рассмотрим теперь после этих необходимых замечаний космологические последствия развития автономных технологических систем, способных включать в свою организацию окружающее вещество и энергию. Для этого рассмотрим следующую простую модель организации среды. пусть среда представляет собой сферу конечного радиуса R, в которой равномерно распределены общая масса вещества М и общая энергия Е. Пусть в начальный момент времени в центре данной сферы находится развивающаяся технологическая система с массой m, организованностью а и радиусом r. Тогда рост радиуса организованной части сферы за счет активности технологической системы будет приводить к увеличению ее организованности. Действительно, в этом случае возрастает как запас вещества и энергии системы, так и ее информационная производительность. Последняя возрастает за счет того, что число элементов массой m в растущей системе будет увеличиваться пропорционально кубу радиуса, и скорость обмена информацией уменьшается только как первая степень радиуса. Следовательно информационная производительность организованной системы с ростом ее радиуса будет возрастать пропорционально квадрату ее радиуса. Таким образом, можно ожидать, что в нашей модели, образно говоря, возникает сферическая «ударная волна организованности», которая будет распространяться до тех пор, пока радиус организованной части среды не станет равен R, то есть пока вся среда станет организованной. Дальнейший рост организованности системы возможен только за счет роста ее информационной производительности. Но исчерпание материальных ресурсов среды позволяет увеличить информационную производительность системы только за счет увеличения скорости обмена информацией между ее частями, то есть за счет уменьшения размеров системы при сохранении общей массы М и энергии Е. Уменьшение размеров среды в соответствии с физическими законами должно сопровождаться увеличением ее плотности и температуры, вплоть до значений, организованных, возможно, только квантовым пределом плотности вещества.

К новому «большому взрыву»

Таким образом произойдет информационный коллапс, или стягивание организованной среды, исчерпавшей ресурсы вещества и энергии, в «горячую точку». Подобное состояние тогда удивительно напоминает исходное состояние нашей Вселенной 15 – 20 миллиардов лет назад, когда произошел « Большой взрыв». Такое совпадение по нашему мнению, далеко не случайно, а представляет собой закономерный итог диалектического процессов организации материи во Вселенной. То есть из состояния «горячей точки» материя после очередного «Большого взрыва» и новый длительной стадии эволюции опять неизбежно должна перейти в подобное высокоорганизованное состояние.

По мнению физиков Я. Б. Зельдовича и А. Д. Долгова, число циклов пульсации Вселенной с переходом через сверхплотное состояние вещества может быть бесконечно большим. До сих пор в науке возможная будущая эволюция Вселенной связывалась только с динамическими решениями уравнений общей теории относительности Эйнштейна для Вселенной. В первую очередь характер этих решений зависит от среднего значения плотности вещества во Вселенной. Если средняя плотность меньше критического значения, равного примерно 10-29 r/см2, то решения соответствуют неограниченно расширяющейся Вселенной; если плотность больше критической, то решения будут периодическими, соответствующими пульсирующей Вселенной с периодом 50-200 миллиардов лет. Учет влияния организации материи во Вселенной на ее эволюцию должен существенно сказаться на этих оценках.

Какая же причина привила к «Большому взрыву» горячую, наивысшей степени организованную Вселенную около двадцати миллиардов дет назад? Нам кажется, что, учитывая все вышеизложенное, можно достаточно уверено ответить и на этот вопрос. Состояние «горячей точки» соответствует термодинамической замкнутости Вселенной. Поэтому энтропия(то есть степень беспорядка) такого объекта, в соответствии со вторым началом термодинамики, должна неизбежно увеличиваться. Этот процесс приведет к постепенному разрушению исходной организованности в системе. Теоретически через некоторое время организованность может упасть до нуля и система придет в состояние термодинамического равновесия. Однако высокоорганизованная материя стремится себя продолжить хотя бы в будущем и вызывает хорошо запрограммированный взрыв «горячей точки», определяющей физические свойства и эволюцию будущей Вселенной. Действительно физические свойства нашей Вселенной удивительно соответствуют требованиям существования органической жизни. Это соответствие обнаруживается и в размерах атомов, и в спектре масс элементарных частиц, и в соответствии между фундаментальными физическими взаимодействиями: гравитационным, электромагнитным, сильным и слабым, и в интенсивности электромагнитного поля Вселенной. Если бы любая из этих величин изменилась даже незначительно, то условия существования материи во Вселенной изменились бы столь радикально, что органическая жизнь не смогла бы существовать. Вместе с тем ряд теоретиков считает, что все указанные величины в момент « Большого взрыва» могли приобрести совсем другие значения. Причем большинство возможных вариантов реализации Вселенной исключало бы возможность существования жизни. Указанное удивительное соответствие физических условий Вселенной возможности существования в ней жизни получило в научной литературе даже специальное название – «антропный принцип». Этот принцип легко объясняется нашей моделью, если органическая жизнь является необходимым промежуточным этапом развития организации материи. Данный принцип должен быть заложен высокоорганизованной «горячей точкой» на стадии «Большого взрыва».

Борис Соломин,

кандидат технических наук,

г.Ульяновск