Мы можем двигаться в пространстве в любую сторону, но во времени наше путешествие имеет неизменное направление из прошлого в будущее. И это - одна из самых удивительных загадок устройства мира. На микроскопическом уровне почти все физические законы симметричны, то есть процессы могут одинаково происходить как из прошлого в будущее, так и наоборот. Но на макроскопическом уровне мы наблюдаем явно выделенное направление течения времени. Этот феномен, который называется стрелой времени, находит отражение во втором начале термодинамики: энтропия замкнутой системы не убывает, то есть все процессы в мире глобально ведут к увеличению беспорядка. Неумолимость времени - это неумолимость роста энтропии.
Джереми Ингланд, профессор физики из Массачуссетсткого технологического института, ставший в 31 год руководителем собственной лаборатории, считает, что те же термодинамические процессы, которые ведут Вселенную к неотвратимой тепловой смерти, могут быть ответственными за возникновение жизни. Дело в том, что такой вид организации материи, как способные к самовоспроизводству живые существа, особенно эффективен в превращении высокоструктурированной энергии, например, солнечного света, в низкоструктурированную, то есть тепло, а значит и в увеличении энтропии. В своей работе Ингланд доказывает, что при определенных условиях любая физическая система стремится как можно быстрее увеличивать энтропию и благодаря этому эволюционирует, становясь все больше похожей на то, что мы привыкли считать живой материей.
В большом интервью Радио Свобода Ингланд рассказал о мертвой эволюции, объяснил, что мешает человеку стать зеброй, зачем стакан хочет подстроиться под оперное пение и почему мы не наблюдаем живые звезды.
- Вы необычным образом столкнули физику и биологию, ваше исследование может дать какое-то физическое объяснение происхождению жизни?
Ну, это пока наша отдаленная цель. Да, появился новый подход к изучению физических свойств живых организмов, и он может помочь нам понять, чем с точки зрения физики обусловлены некоторые их биологические свойства. Возможно, рано или поздно мы сможем по новому увидеть историю возникновения жизни, рассказать ее не на языке биологии и теории Дарвина, а на языке термодинамики.
- Что же это за подход?
Давайте взглянем на живой организм глазами физика, то есть задумаемся о его физических свойствах, тех, которые описываются в привычных для физики терминах - дистанция, время, энергия. Одной из самых ярких специфических особенностей живой материи является ее способность адаптироваться к окружающей среде. И это можно сформулировать на физическом языке. Например, возьмем растение. Оно, как и любая материя, состоит из атомов, но из всех конструкций, которые можно было бы построить из того же набора атомов, растение уникально своей удивительной способностью поглощать свет, перерабатывать полученную энергию и затем избавляться от нее, в конечном итоге в виде тепла. Такой процесс превращения энергии упорядоченных процессов (например, солнечных) в энергию неупорядоченных (в первую очередь - тепло) называется диссипацией. Так вот способность живых организмов адаптироваться во многом выражается как раз в этом феномене, который можно изучать физическими методами. Жизнь, конечно же, объединяет в себе чрезвычайно много разных физических явлений, но в конечном итоге значительная их часть сводится к поиску доступных источников энергии и ее диссипации.
- То есть жизнь в определенным смысле - просто хороший способ увеличивать энтропию?
Разумеется, это упрощенный взгляд, вообще-то жизнь - очень сложная штука. Кроме того, потребляют внешнюю энергию и превращают ее в тепло - через трение, химический распад или любой другой увеличивающий суммарную энтропию процесс, далеко не только системы, которые принято считать живыми. Но ничто нам не мешает рассмотреть базовую модель: пусть есть набор частиц, подчиняющихся законам Ньютона. Он погружен в некоторый термостат, то есть среду, которой можно передать произвольно много тепловой энергии - это может быть, например, океан. И пусть, наконец, имеется некоторый внешний источник энергии, вроде солнечного света. Больше мы от этой модели ничего требовать не будем, это очень общий взгляд, далекий от реальности - даже камень устроен намного сложнее, чем эта модель, уж не говоря о растении. Но в первом приближении практически любой материальный объект, например, вы или я, устроен именно так, мы состоим из атомов, на нас воздействуют внешние источники энергии, которую мы превращаем в тепло. Главное, что эволюцию такой системы можно удобно физически описать вероятностями переходов между состояниями. Можно отследить, как вероятностное распределение меняется со временем, и посмотреть, к чему система придет в конечном итоге, через достаточно большой промежуток времени. То есть физика позволяет нам предсказать эволюцию модели. Кстати, еще 20 лет назад научных инструментов для этого не существовало. Но за последние годы мы ощутимо продвинулась в изучении систем, находящихся далеко от термодинамического равновесия, то есть от состояния, в котором макроскопические параметры мало меняются во времени. Теперь мы можем понять конкретную причину, почему один исход эволюции более вероятен, чем другой.
- И что вам удалось понять об этой эволюции?
На нее влияют три обстоятельства. Во-первых, и это общее место, система с большей вероятностью будет двигаться в сторону меньшей организованности. Любая термодинамическая система имеет тенденцию к увеличению внутреннего беспорядка, энтропии, этот принцип известен как второе начало термодинамики. Яйцо рано или поздно разобьётся, а вот само по себе собраться из осколков скорлупы оно почти наверняка не сможет. Во-вторых, есть кинетические ограничения. Можно представить себе, что разные состояния системы лежат как бы в лунках, которые разделены горами. Где-то эти горы выше, где-то ниже. Чем ниже барьер, тем быстрее происходит переход между состояниями, и наоборот. Именно по этой причине очень высока вероятность того, что через пять минут я - а я тоже термодинамическая система - останусь человеком, а вот зеброй я стану вряд ли. Хотя в условиях нашей модели, вообще говоря, вероятность стать зеброй у меня тоже есть, просто она очень мала.
И третье обстоятельство, очень важное. Смотрите, чтобы как-то разумно сравнить две физические системы, большая часть их физических свойств должны быть близки - на этом фоне хорошо видны те, которые различаются: глупо сравнивать галактику и яблоко. Давайте возьмем какую-нибудь систему, например, бриллиант, у него очень высокая внутренняя упорядоченность, а значит, низкая энтропия. При этом бриллиант может очень долго лежать в вашем комоде и совершенно никак не измениться – горы, о которых я говорил раньше, то есть барьеры, разделяющие его состояния, очень высоки. С другой стороны, вы можете взять все молекулы воздуха в комнате и аккуратно расставить их в одном углу. Эта система тоже будет иметь низкую энтропию, но по сравнению с бриллиантом она намного быстрее перейдет в новое положение. Мы говорим, что у бриллианта высокая кинетическая связанность, а у собранного в углу газа - низкая, разумно сравнивать их тяжело. А вот если мы возьмем две системы, близкие и по энтропии и по кинетической связанности, то станет заметен очень важный третий параметр энтропии, который и будет определять качественное различие эволюции этих систем.
- Он, видимо, как раз связан с переработкой, диссипацией энергии?
Да. Это немного сложнее объяснить, но смысл вот в чем. Наша система стремится максимально эффективно использовать внешний источник энергии, или внешнее поле, если хотите. Она потребляет внешнюю энергию и отдает ее в виде тепла, при этом переваливая через горы между лунками, то есть в конфигурационном пространстве. Эти переходы должны быть необратимыми, то есть барьеры должны быть настолько высокими, чтобы система не могла вернуться в прежнее состояние из-за случайных термодинамических флуктуаций. В реальности это означает, что наша модель необратимо перестраивается, само организуется, приспосабливается к внешней среде таким образом, чтобы диссипировать все больше энергии. Мы называем этот эффект так: система стремится к устойчивой диссипации.
Возьмите стакан. Если рядом будет петь оперный певец, стакан будет немного вибрировать. Но если особым образом изменить его форму, он будет вибрировать намного сильнее, потому что возникнет резонанс. Конфигурация материи влияет на то, как она будет взаимодействовать с окружающей средой. Стакан стремится резонировать с голосом певца, правда, ему мешает изменить свою форму высокая кинетическая связанность, горы между состояниями слишком велики. Но в общем положении наш аргумент объясняет, что физическая структура самостоятельно меняет свою внутреннюю организацию, так, чтобы лучше взаимодействовать с окружающей средой, более эффективно использовать работу внешнего поля. И это очень напоминает то, что мы видим в биологическом мире.
- То есть живые существа в физическом смысле особенно хорошо адаптируются к внешней среде и диссипируют энергию?
Да. В нашей статье мы доказываем, что самовозпроизводство и рост - очень эффективные способы диссипации энергии. Когда одна бактерия становится миллионом бактерий, в тепло превращается очень много химической и электромагнитной энергии. Создавая свои копии и увеличиваясь в размере объект устойчиво диссипириует, то есть это - естественная эволюция для физической системы.
Это совершенно новый взгляд на то, откуда в физической системе может взяться внутренний порядок и структура, объяснить ее эволюции, не прибегая к дарвиновским аргументам естественного отбора. Способность адаптироваться к внешней среде может быть объяснена физически.
- И этой способностью обладает любая физическая система, вы в некотором роде говорите о небиологической эволюции материи. В этом контексте можно вообще отличить живое от не живого?
Понимаете, само по себе слово “жизнь” на фундаментальном уровне в физических терминах ничего не значит. Оно осмысленно в совершенно другом семантическом пространстве. Я уверен, что биология и физика - это разные языковые категории, таксономии или даже разные языки для описания одного и того же мира. Есть цитата Людвига Витгенштейна, которая мне очень нравится: “Границы моего языка - границы моего мира”. Вы можете говорить о мире на разных языках и интуитивно переводить с одного языка на другой.
Кадр из презентации Джереми Ингланда
Я люблю использовать такую аналогию: сбрасывая кошку с башни, вы можете задаться вопросом, какая у нее будет скорость в момент столкновения с землей - и это физический вопрос. А можно спросить, останется ли она после этого столкновения жива, - это вопрос уже биологический. Ответы на эти вопросы связаны между собой, можно перевести один на язык другого, но этот перевод не будет отражать всю полноту жизни кошки. Я не думаю, что в общем случае можно перевести выражение “это - живое” на язык физических терминов, используя одно, два, несколько конкретных физических свойств. Жизнь - очень сложный набор большого количества взаимосвязанных факторов. Но мы знаем, что живые существа способны к самовоспроизводству, что они умеют использовать воздействие внешней среды, и если сфокусироваться только на этих аспектах их физических свойств, то можно найти характерные, присущие живым существам качества в системах, которые, вообще говоря, не считаются живыми, например, в снежинке или в турбулентном вихре. Никто не назовет снежинку живой, но она - особо низкоэнтропийное состояние для куска материи, возникающее при конденсации водяного пара, при этом происходит диссипация химической энергии в тепловую. И в этом смысле снежинка очень похожа на живое существо. Мы используем физический язык для того, чтобы описать свойство присущее любой материи, и при этом это свойство характерно для живых существ.
- Общепринятого определения жизни нет, а ваш подход задает определенную эволюционную шкалу, на которой выше те системы, которые при прочих равных лучше приспособлены к среде, более эффективно перерабатывают внешнюю энергию в тепло и увеличивают энтропию. Почему бы не считать, что чем выше система в этой шкале, тем ближе она к живой?
Мы должны быть здесь очень осторожны с выражениями. Как я уже говорил, различие между живым и неживым находится не столько в реальности, сколько в нашем сознательном выборе, что считать таковым, и в языке, которым мы пользуемся.
- Так не окажется ли ваш новый термодинамический язык более точным?
Я не претендую на то, чтобы решать что живо, а что - нет. Если угодно, можно считать, что автомобили - живые, ведь они способны к воспроизводству (с участием внешней среды - людей) и даже естественному отбору: удачные модели перевыпускают, а неудачные - нет. Или возьмите экономику, в ней тоже есть макроструктуры, которые с какой-то точки зрения ведут себя как живые существа. Но мы все же хорошо понимаем, что в экономике действительно есть живые субъекты - люди, например, а есть неживые - деньги, здания и так далее. Кардинально ломать наше интуитивное представление о живом и неживом, менять сложившиеся языковые нормы не имеет смысла.
- И все же ваш подход задает новую парадигму эволюции, новый взгляд на жизнь и то, как она зародилась.
Знаете, всегда есть соблазн заняться философскими спекуляциями, это забавное занятие, и публике очень нравится. Но мы все-таки стараемся сконцентрироваться на вещах, которые можно измерить и предсказать.
- И все же давайте капельку поспекулируем. Ваша теория может объяснить зарождение жизни, как естественную термодинамическую эволюцию материи. Так почему же жизнь возникла в Солнечной системе, насколько нам известно, только на Земле? Ведь и на других планетах есть источники энергии и теромостаты для ее диссипации.
Это, и правда, очень спекулятивный вопрос. Я попробую дать консервативный ответ. Давайте возьмем Венеру. Температура поверхности Венеры, насколько мы можем судить, намного горячее земной. И масштаб тепловой энергии там иначе соотносится с химическими параметрами. Для того, чтобы система эволюционировала в правильном направлении, она должна максимально эффективно использовать работу окружающей среды, так, чтобы внешняя энергия перетаскивала бы систему через высокие горы в другие состояния и система не могла бы произвольно вернуться обратно. Именно благодаря таким переходам происходит адаптация к среде, устойчивая диссипация. Но вы можете оказаться в ситуации, когда температурные флуктуации могут перетащить вас обратно через любой доступный барьер. То есть лунки состояний отделены либо настолько высокими горами, что их вообще нельзя преодолеть, либо настолько низкими холмиками, что перейдя через них система тут же возвращается в исходное состояние из-за термодинамических случайных флуктуаций. Тогда никакой интересной эволюции у вас просто не получится. Другими словами, для того, чтобы адаптация приводила к каким-то сложным результатам, все же нужны достаточно специфические и сбалансированные внешние условия, которые могли быть на Земле, но не быть, например, на Венере. Пока что это все, повторяю, спекуляции, но я очень заинтересован этими вопросами, мы над этим работаем сейчас здесь в MIT с моим студентом, он, кстати, из России.
- А почему мы не наблюдаем во Вселенной какие-то результаты продолжительной термодинамической эволюции, которую вы описали? Почему старые звезды со временем не становятся, грубо говоря, живыми?
Для этого есть физическое объяснение. Если не вдаваться в подробности, проблема в том, что на таком масштабе начинает играть существенную роль гравитация. Из-за нее определить, что станет термостатом по отношению к интересующей вас системе, становится очень сложной задачей. Я обсуждал это с астрофизиками и мне кажется, что это нетривиальная проблема. Наша модель все-таки имеет серьезные ограничения.
В то же время, мы привыкли думать о зарождении жизни каком-то единовременном уникальном и случайном событии, почти как о Большом взрыве. На самом деле, при определенных условиях термодинамическая система уходит все дальше от равновесия, приобретает внутреннюю структуру. Материя во Вселенной может очень много где быть организованной в почти самовоспроизводящиеся структуры, они могут жить на поверхности кометы или где-нибудь еще.
- Как я понял, ваша теория - это все же очень общий, статистический, хотя и завораживающий взгляд на мир. Мы как-то можем его использовать?
Вы правы, то, о чем я говорю - это не какая-то модель конкретной системы, это в некотором смысле метатеория. И она обладает классическим недостатком: теория всего, как это почти всегда бывает, оказывается теорией ничего - ничего конкретного. Нам еще предстоит понять, где и как можно применить наш подход. Пока что делаем компьютерные модели термодинамических систем и смотрим, как их поведение соотносится с теми предсказаниями, на которые способна наша теория. Следующий шаг - найти партнеров-экспериментаторов, и поработать с ними над реальными системами.
