Читать книгу: «Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса», страница 6

Жизнь: великолепная эквилибристика Вселенной

На ранней Земле, претерпевавшей быстрые структурные и химические изменения, тот вид активности, который мы сейчас наблюдаем в жерлах подводных вулканов, должен был быть гораздо более распространенным. Это, предположительно, приводило к выделению огромного количества потенциальной химической энергии, которая накапливалась в обширных резервуарах. В отсутствие форм жизни, способных этой энергией питаться, неиспользованные градиенты вызывали энергетический дисбаланс планетарного масштаба, приводивший к глобальной термодинамической нестабильности. В результате этого напряжения там, где оно было наивысшим, самопроизвольно возникли напоминавшие примитивный метаболизм автокаталитические химические наборы, высвобождавшие и рассеивавшие избыток свободной энергии. Так как геологическая активность обеспечивала постоянный приток химической энергии, метаболические диссипативные структуры сохранялись, получая возможность развиваться.

Поскольку сложность реакционных сетей неизбежно возрастала, то, как предполагается, автокаталитический набор, работающий по циклу вроде восстановительного цикла TCA, синтезировал основные клеточные компоненты и постепенно включал их обратно в набор, который их и породил. В ходе этого процесса органическая химическая сеть становилась все более сложной, и самообновляющаяся система (аутопоэтический агент) трансформировалась в самовоспроизводящуюся систему (организм).

Эта теория объясняет не только происхождение жизни, но и формирование и поддержание биосферы в целом. По словам Смита, взаимосвязанная сеть живых организмов, покрывающая поверхность Земли, является «каналом релаксации» для снятия планетарного энергетического напряжения, аналогичного по функции разряду молнии – еще одной диссипативной структуре ¹. Молния образуется самопроизвольно, когда разделение электрического заряда между землей и верхними слоями атмосферы нарастает настолько, что разрушает градиент, создавая канал для потока энергии. Аналогично и жизнь создает канал для потока энергии, открывая совершенно новую область химических реакций (известную как органическая химия), способную лучше рассеивать накопленную геохимическую энергию.

По мнению Смита и Моровица, «коллапсирование к жизни» было таким же неизбежным и естественным, как течение воды вниз по склону до достижения ее самого низкого энергетического состояния. И подобно тому, как текущая вода образует русло в склоне холма, которое со временем углубляется, что приводит к увеличению силы потока, энергетические потоки тоже укрепляли химические каналы, которые мы называем метаболическими путями. По мере своего развития эти пути обеспечивали прочную основу для образования генетической и ферментативной сложности. Теория, выдвинутая Смитом и Моровицем, заставляет нас взглянуть на биологию в совершенно новом свете. Жизнь – это не просто какая-то молекулярная случайность. Это закономерный планетарный процесс, обеспечивающий решение для химически нестабильного абиотического состояния. Как выразилась Сара Уокер, их коллега из Университета штата Аризона, «жизнь – это не то, что происходит на планете; это то, что происходит с планетой»².

Эта термодинамическая парадигма, объясняющая абиогенез, может также помочь объяснить биологическую эволюцию и развитие экосистем. Поскольку геохимические процессы, порождающие жизнь, постоянно производят химическую энергию и поскольку на поверхность планеты постоянно поступает солнечная энергия, биология не просто приходит и уходит, как удар молнии или торнадо, а сохраняется и размножается, подпитываемая топливом – свободной энергией, которая поддерживает ее в организованном и работоспособном состоянии. По мере того как потоки энергии управляют диссипативной и биологической эволюцией на протяжении длительных промежутков времени, жизнь неизбежно находит способы использовать новые источники энергии, такие как солнечный свет, кислород, плоть и огонь³. Чем больше энергии начинает циркулировать по живой сети, тем больше энергии становится доступно для обеспечения самовоспроизведения, и организмы порождают больше организмов, а те в свою очередь порождают еще больше организмов, которые диверсифицируются и соединяются, образуя сложные пищевые цепочки.

Таким образом, экосистемы можно считать высокоуровневыми автокаталитическими наборами, в которых организмы и виды осуществляют коллективный метаболизм тем же циклическим способом, что и химически связанные биомолекулы в клетках. Вместе с тем, как автокаталитические сети живых существ «обновляют» свои компоненты посредством биологического размножения с мутациями, жизнь на Земле непрерывно регенерируется, диверсифицируется и усложняется посредством аутопоэтического процесса, то есть процесса самообновления. Мы вернемся к этой идее во второй части, когда будем обсуждать эволюцию биосферы, а сейчас стоит отметить, что история жизни – как и история самого космоса – это история циклов и уровней.

Это новое описание абиогенеза показывает, что переход от неживого состояния среды к жизни происходит не мгновенно, а в несколько этапов, по мере того как метаболизм постепенно, слой за слоем, выстраивает функциональную архитектуру. В грандиозной монографии «Происхождение и природа жизни на Земле», опубликованной в 2016 году издательством Cambridge University Press, Смит и Моровиц описывают этот поэтапный процесс развития как «каскад фазовых переходов».

Теория фазовых переходов и происхождение жизни

Термином «фазовый переход» описывается внезапное всестороннее изменение общей структуры системы и ее функционирования. Большинство людей знакомы с простейшими фазовыми переходами, которые изучают на уроках химии в средней школе, такими как превращение жидкой воды в лед при низких температурах. Во время этого фазового перехода молекулы H₂O принимают более стабильную и упорядоченную конфигурацию, переходя из жидкого агрегатного состояния в твердое. В природе есть примеры и более сложных фазовых переходов, когда группа взаимодействующих компонентов самоорганизуется в скоординированное и стабильное коллективное целое. Это происходит на разных уровнях абстракции. Упомянем часто встречающееся явление, за которым приятно наблюдать: полет стаи птиц, образующих меняющие форму геометрические паттерны, которые удерживают стаю и направляют ее. Мы также можем рассматривать возникновение человеческой цивилизации как большой фазовый переход, в результате которого поведенческий хаос коллапсировал в социальный порядок. Неравновесные фазовые переходы имеют решающее значение для истории космической эволюции, поскольку представляют собой механизм спонтанного возникновения новых уровней сложности и организации.

Как именно сложная система внезапно переходит в более организованное состояние, не совсем понятно, но это может происходить лишь тогда, когда компоненты системы коллективно взаимодействуют таким образом, что деятельность ее частей становится все более скоординированной и статистически связанной. Это не значит, что каждый компонент должен взаимодействовать со всеми своими соседями, однако все они должны быть связаны друг с другом таким образом, чтобы последствия локальных взаимодействий распространялись по всей сети подобно цепной реакции. Когда совокупный эффект этих взаимоукрепляющих взаимодействий достигает критического порога, то чисто механическим, но вместе с тем и весьма мистическим, если судить по внешнему виду, образом внезапно возникают глобальные паттерны синхронизированной активности, и система приобретает новое свойство или функцию, уместно называемую эмерджентным свойством.

Дополнительную загадочность явлению эмерджентности придает тот факт, что предсказать при помощи современной математики, когда произойдет переход, очень трудно или даже невозможно, поскольку процесс сдвига фазы включает в себя хаотические самоусиливающиеся циклы, которые нельзя точно вычислить или смоделировать. Это обусловлено эффектом бабочки, под которым понимается очень маленькое и, казалось бы, незначительное действие (такое как взмах крыла бабочки), но способное резко усилиться в результате хаотических циклов и вызвать торнадо на другом конце света. Этот эффект означает, что если вы попытаетесь смоделировать физическую систему с хаотической динамикой, то даже крошечная ошибка измерения, которую можно ожидать от любого мыслимого прибора, способна сильно исказить любой расчет будущего состояния системы.

По этой причине считается, что поведение живых существ, от пчел до людей, непредсказуемо не только на практике, но и в теории. Даже самый мощный компьютер в мире не может точно предсказать поведение жизни. Однако далекие от равновесия фазовые переходы можно предсказать в вероятностном смысле, используя новые математические инструменты неравновесной статистической механики, поэтому ученые исполнены оптимизма в том, что касается понимания и прогнозирования реальности, включая коллективное поведение агентов.

Поскольку хаотические петли обратной связи способны быстро увеличивать размер химической системы и ее метаболическую сложность, автокаталитическая сеть может претерпевать быструю последовательность фазовых переходов, если система приводится в движение достаточно значительным градиентом энергии. Под действием постоянного потока энергии сложность диссипативной химической сети неуклонно возрастает, формируются новые функции, и, наконец, самоорганизация порождает клетку.

Как и Джереми Ингленд, Эрик Смит и Гарольд Моровиц относят абиогенез к дарвиновскому процессу, который включает естественный отбор, влияющий на термодинамические вариации. Если фазовый переход приводит к коллективной конфигурации, улучшающей способность системы поглощать свободную энергию, которая ее поддерживает, то эта упорядоченная фаза будет сохраняться относительно других. Поскольку фазы, не улучшающие использование и рассеивание энергии, будут распадаться примерно так же быстро, как и появляться, то подвергающаяся усилению автокаталитическая система будет продолжать возвращаться к предыдущей стабильной конфигурации, пока не обнаружит превосходящее (более стабильное) состояние. А поскольку коллективные молекулярные структуры, способные извлекать доступную энергию, обычно более сложны, то прогресс в направлении все более нетривиальных диссипативных структур не является невероятным – в далеких от равновесия условиях он может быть неизбежным.

Вопросы и выводы

Эта точка зрения помогает объяснить, почему сформировавшаяся жизнь смогла выжить в суровой и изменчивой среде. По мере того как первая сложная адаптивная система эволюционировала в результате последовательных необратимых переходов, она постепенно становилась все более надежной, упорядоченной и разграниченной. Модель биологической эмерджентности с множественными фазовыми переходами изящно объясняет жизнь как ожидаемое следствие естественного эволюционного процесса, а не как результат божественного или статистического чуда. С помощью новой термодинамической теории жизни мы можем ответить на некоторые насущные экзистенциальные вопросы.

Была ли жизнь на Земле аномальной случайностью? Нет, биологическая жизнь – неизбежный результат диссипативной адаптации, автокатализа и неравновесных фазовых переходов. Эти организующие механизмы создали биохимический канал для устранения термодинамического дисбаланса, возникающего из-за накопления свободной энергии на освещенной Солнцем, влажной и геохимически активной планете.

Статистическая неизбежность возникновения как первого организма, так и биосферы не является результатом волшебства, однако не удивительно, если неравновесная динамика, которая обусловливает появление этих аттракторов, покажется кому-то волшебной. Мы можем семантически обоснованно сказать, что самоорганизация под действием энергии – это магия природы и естественного закона, истинная магия, и что ее мистическая эстетика возникает из человеческого восприятия неизбежного усложнения с течением времени и некогда немыслимой космической судьбы, подразумеваемой таким процессом, если он окажется фундаментальным и непрерывным. Единственное, что является предсказуемым или определенным, – это общий аттрактор, а не путь к нему. Камень на вершине холма обязательно покатится вниз по склону, но точная его траектория в значительной степени непредсказуема. Биосфера будет стремиться к появлению все более разумных видов, но эволюционный путь к общему интеллекту, вероятно, будет разным на каждой планете, производящей жизнь.

Есть ли жизнь на других планетах? Следует предполагать, что жизнь легко возникает на планетах с геохимическими условиями, достаточно схожими с теми, что наблюдались на Земле около 3,8 миллиарда лет назад. Вопрос в том, что подразумевается под «достаточно схожими» условиями? Некоторые эксперты по вопросам происхождения жизни, например Ник Лейн из Университетского колледжа Лондона, подозревают, что «жизнь возникла бы теми же путями на любой солнечной, влажной и каменистой планете»⁴. Чтобы угодить скептикам, добавим еще одно условие: планета должна быть примерно размером с Землю и находиться приблизительно на таком же расстоянии от звезды аналогичного Солнцу размера. По скромным оценкам астрономов, только в галактике Млечный путь можно обнаружить миллиарды других «Земель», а в наблюдаемой Вселенной их триллионы. Даже если жизнь возникает лишь на небольшой части из них, все равно речь идет о многих миллионах планет с живыми организмами. А если мы хотим оценить, как долго обычно сохраняется жизнь на этих планетах, давайте вспомним, что на Земле она ни разу не угасла с тех пор, как возникла почти четыре миллиарда лет назад, несмотря на частые природные катастрофы и изменчивые химические условия. По этим причинам большинство ученых-биологов и астробиологов с оптимизмом оценивают наши шансы вскоре обнаружить следы жизни на какой-нибудь другой планете, возможно, даже в ближайшие несколько десятилетий.

Какова связь между жизнью и вторым законом термодинамики? Жизнь возникает в далеких от равновесия условиях, облегчая поток энергии и производство энтропии. Термодинамические расходы на создание и поддержание биологического порядка оплачиваются тепловой энтропией от рассеиваемого тепла, которое организмы постоянно выделяют в окружающую среду. Таким образом, жизнь и второй закон термодинамики могут сосуществовать в абсолютной гармонии. И они не просто мирно сосуществуют, а находятся в близких отношениях. Можно романтически представить, что, если бы энтропия могла разговаривать с жизнью, то она бы сказала: «Ты мне нужна», – а жизнь ответила бы: «Ты меня дополняешь».

Если жизнь была неизбежна, то почему клетка появилась лишь один раз в истории Земли? Хотя справедливо, что абиогенез, скорее всего, никогда не повторялся, верно также и то, что мы не нашли ни одного места на Земле, где бы не присутствовала жизнь, каким бы холодным, жарким, глубоким или неспокойным это место ни было. Свободная энергия существует почти везде. Даже внутри вулканов и в нескольких километрах под поверхностью Земли можно гарантированно найти какие-нибудь организмы, потребляющие энергию. Это позволяет предположить, что коллапсирование к жизни и последующее развитие биосферы сильно уменьшили энергетический дисбаланс планеты, устранив значительную часть термодинамического давления, которое обусловило возникновение жизни. Если бы мы могли взмахнуть волшебной палочкой и заставить всю жизнь внезапно исчезнуть, то нам не стоило бы удивляться, когда бы она в конечном итоге возникла вновь после накопления достаточного количества химической энергии и достижения критической точки. Если Смит и Моровиц правы, то распространение жизни напоминает развитие трещины.

Почему не удается создать жизнь в лаборатории? Жизнь сложна, как и геохимия. Воссоздать точные химические условия, существовавшие миллиарды лет назад, несомненно, трудно, как и воспроизвести экстремальные температуры и давление вокруг гидротермальных источников. Даже если вы все сделаете правильно, лаборатория позволяет экспериментировать лишь с небольшими образцами вещества. Сравните это с пребиотической Землей, на которой были многие километры областей высокой геотермальной и геохимической активности. Хотя воспроизведение абиогенеза в лаборатории – задача трудоемкая и дорогостоящая, нет оснований считать ее невозможной или недостижимой. Многие исследователи происхождения жизни теперь полагают, что это может произойти довольно скоро, возможно, в течение нескольких десятилетий. Как было бы здорово, если внеземная жизнь обнаружится примерно тогда же, когда ученые придумают, как создать ее с нуля?

Опровергая нарратив о том, что жизнь – своего рода статистическая случайность, эти новые эмпирические объяснения могут вернуть рационалистам чувство экзистенциального комфорта. Не обязательно быть неисправимым космическим оптимистом, чтобы найти духовное удовлетворение в идее о том, что жизнь является неизбежным результатом развивающейся и самоорганизующейся Вселенной. Она естественное проявление космического кода, а не аномальная случайность.

Впрочем, те же факты, которые успокаивают одних, других могут привести к иному выводу. В глазах космического пессимиста термодинамический нарратив, как он излагался до сих пор, изображает жизнь не чем иным, как навороченной диссипативной структурой и средством производства энтропии, не более удивительной или значительной, чем ураган или водоворот, и, вероятно, столь же преходящей. Когда звезды гаснут и солнечные градиенты, поддерживающие сложную жизнь, исчезают, вместе с ними исчезают сознание и интеллект. Разум говорит «до свидания», и Вселенная вновь погружается в сон, на этот раз вечный. Однако было бы ошибкой делать столь поспешный вывод. Живые организмы фундаментально отличаются от всех других диссипативных структур, возникающих в природе, потому что обладают агентностью – свойством, которое дает им возможность управлять своей судьбой.

Агентность меняет правила игры

Агентность трудно определить точно, но ее легко заметить и узнать. Если неодушевленные объекты движутся только тогда, когда их толкает внешняя сила, то движения систем, обладающих способностью к действию и называемых агентами, исходят изнутри и направлены к некой внутренней цели. Хотя некоторые диссипативные структуры, например ураганы и торнадо, имеют хаотичные и непредсказуемые траектории, способные на время ввести в заблуждение наивного ребенка и заставить его думать, что они живые, все же вскоре становится очевидным, что их затейливые блуждания на самом деле случайны и бесцельны.

Типичные диссипативные структуры – рабы законов физики и энтропийных сил, которые приводят их в движение. Автономные агенты, напротив, могут «сопротивляться» природе и заставлять вещи происходить, они обладают способностью влиять на реальность, что философы называют причинной силой. Точное определение этого термина – непростая задача для ученых и философов, но мы можем считать причинную силу способностью агента инициировать новые цепочки причин и следствий.

Поскольку неживая диссипативная структура не обладает причинной силой, она не может инициировать действия или контролировать физические события, что делает ее неспособной поддерживать себя, находя новые источники энергии, когда старые запасы иссякают. Живой же организм, когда свободная энергия, необходимая для его функционирования, иссякает в его непосредственном окружении, активно ищет ее. Это как если бы водоворот тянулся вверх и открывал кран, почувствовав, что запас воды вот-вот иссякнет, чего мы, конечно, никогда не наблюдаем. В сущности, неживые диссипативные структуры обречены на преходящее и незначительное существование и неизбежно распадаются, как только устраняются поддерживающие их градиенты и прекращается поток энергии.

Это означает, что живой агент может выбирать свой путь, двигаясь в полном соответствии с физическим законом, но не становясь его рабом. Камень всегда катится вниз по склону и никогда вверх, из-за силы тяжести, но то же самое нельзя сказать о чем-то живом. Это справедливо даже для простых организмов. Например, многие растения медленно, но неутомимо движутся в направлении Солнца, отслеживая его движение по небу каждый день, – это явление называется гелиотропизмом. Аналогично одноклеточные существа, например бактерии, плывут к источникам пищи и прочь от ядов – эта их способность известна как хемотаксис. Когда один энергетический градиент исчерпан, активно ищется другой. Вопрос о том, обладают ли такие простые системы хоть какой-то осознанностью или субъективным опытом, является предметом горячих споров (и обсуждается далее в этой книге). Однако вне зависимости от того, разумны они или нет, эти агенты действуют с определенной целью и намерением.

Психолог девятнадцатого века Уильям Джеймс ярко описал эту уникальную характеристику жизни с помощью романтической метафоры, вдохновленной произведением Шекспира:

Ромео тянется к Джульетте, как металлическая стружка к магниту, и если нет препятствий, он движется к ней по такой же прямой траектории. Однако, если между Ромео и Джульеттой возвести стену, то они не будут по-идиотски прижиматься лицами к ее противоположным сторонам, как в случае магнита и стружки… Ромео вскоре найдет обходной путь, перелезет через стену или сделает что-то еще, чтобы прикоснуться к губам Джульетты. Путь стружки неизменен; достигнет ли она цели, зависит от случайности. Для любовника неизменна цель, а путь может меняться как угодно.

В свете этого четкого поведенческого различия полное объяснение происхождения жизни должно отвечать на философский, но научно обоснованный вопрос: как именно молекулы обрели агентность, контроль и цель? Какой именно процесс наделил физическую систему целями и способностью их достигать? Если агентность действительно возникает в результате термодинамических механизмов, таких как диссипативная адаптация и фазовые переходы, тогда мы должны объяснить, как именно и почему.