[84].
Динамическая сложность
Мы поняли, что для целей, которые ставят перед собой люди, во Вселенной достаточно энергии. Теперь рассмотрим с более фундаментальной точки зрения, почему ее достаточно.
Для этого ответим на два основных вопроса.
Какое именно свойство физической Вселенной делает возможным формирование «целей человечества»?
Почему для их достижения требуется так мало энергии по сравнению с той, что излучает наше Солнце?
Первый вопрос можно рассматривать на разных уровнях. Попытавшись дать точное определение «целям человека», мы рискуем быстро утонуть в мрачных глубинах туманной метафизики. Но если мы посмотрим с физической точки зрения, что же существенного в том, что люди делают и для чего живут, то ответ будет даже более ясным, чем вопрос. На этом уровне краеугольный камень — динамическая сложность. Хотя у ученых нет консенсуса в вопросе, как именно определять сложность, мы «узнаем ее, когда увидим»[85] на примерах наподобие следующих.
• Чтобы учиться и думать, мы меняем схемы связей, секреции и электрических импульсов в мозгу. Чтобы воспринимать мир, мы конвертируем входящие последовательности сигналов электромагнитного излучения (зрение), колебания давления воздуха (слух), локальную химию окружающих объектов (вкус и запах) и некоторые другие потоки данных в «единую валюту» мозговой активности. Чтобы двигаться и воздействовать на окружающие объекты, мы используем силу мышц, работающих за счет синхронизированного сокращения упорядоченных белковых молекул.
• При возведении храмов, синагог и мечетей люди составляют планы, собирают материалы, используют инструменты и оборудование, а также нанимают строителей и художников для создания сложной, «искусственной», «духовной» среды.
• Музыка и обряды — выражения динамической сложности в чистом виде.
В основе всего этого лежат сложные материальные структуры, меняющиеся во времени. В разных случаях структурированная материя принимает разные формы, начиная от нейронных сетей и заканчивая колебаниями воздуха, и включает разные элементы: инструментарий, символы, воспоминания, сигналы, инструкции, а также нас самих. Динамическая сложность — глубинная структура, лежащая в основе всего этого.
На протяжении большей части биологической и человеческой истории физическая реализация динамической сложности зависела от образования и разрыва огромного количества химических связей с использованием энергии Солнца. Сегодня открываются другие возможности, о которых я расскажу позже. Но образование и разрыв химических связей с помощью солнечной энергии — по-прежнему главный способ, и мы должны начать обсуждение с него.
У атомов множество функций, делающих их отличными строительными блоками для самых замысловатых творений.
• Существует много видов атомов, по одному на каждый химический элемент. Все атомы конкретного элемента практически идентичны[86]. Таким образом, в нашем распоряжении есть широкий ассортимент взаимозаменяемых деталей.
• Атомы доступны в огромном количестве. Напомню, человеческое тело содержит примерно октиллион (1027) атомов, то есть больше, чем звезд в видимой Вселенной.
• Согласно правилам квантовой теории и законам электродинамики, атомы могут объединяться в более крупные единицы — молекулы и соединяться химическими связями.
Чтобы понять, как эти фундаментальные факты при благоприятных условиях могут привести к динамической сложности в больших масштабах, нам нужно осмыслить две важные концепции: комбинаторный взрыв и условную стабильность.
Комбинаторный взрыв в своей простейшей форме — резкий рост числа возможных вариантов, когда делается несколько независимых выборов. Например, заполнив девять разных клеточек любыми из десяти цифр, я могу получить числа 000 000 000, 000 000 001, 000 000 002… 999 999 999 — всего миллиард, то есть 109 различных комбинаций. Десять и девять — маленькие числа, но 109 — уже довольно большое. Такова сущность комбинаторного взрыва.
В ДНК мы можем выбрать любое из четырех азотистых оснований нуклеотидов (гуанин, аденин, тимин, цитозин, сокращенные обозначения — G, A, T, C) и прикрепить его в любом месте вдоль длинного сахаро-фосфатного остова (таких мест много тысяч). Точно так же при строительстве белков двадцать различных аминокислотных оснований прикрепляются к стандартным полипептидным цепям разной длины. Подобная архитектура обеспечивает возможность комбинаторных взрывов того же типа, что и при комбинациях из десяти чисел, только теперь элементов или 4, или 20. Таким образом, в последовательностях ДНК могут записываться невероятные объемы информации. Существует огромное количество белков, которые обеспечивают структурные и функциональные строительные блоки для живых организмов. Эти белки очень разнообразны по размерам и форме, и, соответственно, разнятся их механические и электрические свойства.
Молекулы других видов, как органические, так и неорганические, могут разветвляться, собираться в мембраны, образовывать петли или регулярные кристаллические структуры и проделывать многое другое. Это богатство возможностей приводит к комбинаторному взрыву комбинаторных взрывов. Всего один грамм вещества содержит миллиарды миллиардов атомов — и материала для обеспечения сложности в больших масштабах более чем достаточно. Поэтическая метафора Уильяма Блейка с «бесконечностью на ладони» имеет вполне научную основу.
Чтобы реализовать потенциал этого материала, мы должны уметь собирать из него структуры. Мы хотим, чтобы наши атомные строительные элементы так же, как игрушечные кубики Lego, или блоки конструктора Tinker, или используемые на уроках химии модели атомов и молекул в виде шариков и палочек, легко соединялись друг с другом, легко разбирались, но не рассыпались. Это ключевое свойство, то есть условная стабильность, требует правильного баланса стабильности и изменчивости.
Химики изучают вопрос, что именно осуществимо с точки зрения молекулярной сложности, а биологи — вопрос, что же реализовано на деле. Их работа бесконечна и увлекательна. Идя на радикальные упрощения, я надеюсь на их снисходительность и чувство юмора. Здесь я опишу только то, чего достаточно просто для понимания, а именно как во Вселенной и, в частности, в системе Солнце — Земля «объединяются усилия» и как это делает создание причудливых структур материи возможным.
У условной стабильности три важнейших «ингредиента»: высокая температура, низкая температура и масштаб промежуточной энергии. Высокая температура — на поверхности Солнца, около 6000°C. Низкая — на поверхности Земли, примерно 20°C. Промежуточная энергия — это количество энергии, необходимое для образования или разрыва типичной химической связи. Оно составляет примерно один электронвольт.
При температурах около 20°C молекулы остаются гибкими, но химические связи разрываются нечасто, поскольку соответствующая тепловая энергия редко достигает электронвольта. С другой стороны, фотоны, приходящие с поверхности Солнца, концентрируют в себе энергию, часто превышающую электронвольт. Они способны разрывать химические связи. Взаимодействие между этим в меру холодным, но не замораживающим фоном и доступной, но не чрезмерной концентрированной энергией позволяет перестраивать молекулярные структуры, хотя и не слишком легко. Такая условная стабильность, доступная нам на Земле, — как раз то, что с точки зрения физики нужно для образования динамической сложности.
Чтобы завершить разговор об огромном потенциале для образования динамической сложности и о том, как она реализуется на Земле, нам нужно понять, основываясь на фундаментальных принципах, как Солнцу удается выполнять свою роль. Но сначала давайте сделаем паузу и откалибруем нашу собственную динамическую сложность.
Основные блоки, из которых состоит человеческий мозг, — нейроны. Их число составляет примерно сто миллиардов, то есть 100 000 000 000, или 1011. Это намного меньше октиллиона, но все еще невообразимо много. Примерно столько в нашей Галактике звезд.
Каждый нейрон представляет собой очень эффективное маленькое устройство, обрабатывающее информацию, и связан с другими. Типичные нейроны могут образовывать сотни и даже тысячи таких связей. Большая часть информации, которую мы получаем, кодируется путем изменения силы этих связей — те, которые соответствуют полезным шаблонам поведения, усиливаются, а бесполезным — ослабляются. Максимальное количество связей возникает в возрасте от двух до трех лет, а максимальная сложность — позже, после селективного отбора связей.
Если мы рассмотрим возможные способы соединения такого количества нейронов, то получим головокружительные цифры, намного превышающие октиллионы. В наших черепах происходят взрывающие мозг комбинаторные взрывы. Так что нас не должно поражать, что это невообразимое количество нейронов, образующих такие причудливые шаблоны, во взаимодействии может создавать удивительные вещи.
В Уолте Уитмене действительно было множество миров[87]. И во мне тоже. И в вас.
Солнце работает на ядерном топливе. Это гигантский термоядерный реактор. Процесс ядерного горения[88], благодаря которому Солнце существует, состоит в превращении водорода в гелий. Атом водорода содержит один протон и один электрон. Атом гелия содержит два протона, два нейтрона и два электрона. На Солнце цепочка реакций приводит к превращению четырех атомов водорода в один атом гелия плюс два нейтрино, при этом высвобождается энергия.