Жизнь и информация. Новый вид сложного

После обеда я размышлял о жизни. Если подумать, до чего странная вещь – жизнь! Так не похожа на все остальное, не правда ли, если вы понимаете, о чем я.

П. Г. Вудхаус, «Мой друг Дживс» (My Man Jeeves)

Коренная сущность каждого живого существа – не пламя, не теплое дыхание и не «искра жизни». Но информация, слова, инструкции. Если вы любите метафоры, то не представляйте себе огни, искры и дыхание, а представляйте себе миллиарды четких кодовых знаков, высеченных на гранях кристалла[47].

Ричард Докинз, «Слепой часовщик»

Жизнь, какой мы ее знаем, возникла почти 4 млрд лет назад в результате причудливых химических процессов, которые протекали в богатой химическими элементами среде на молодой планете Земля. Если жизнь есть где-то еще, возможно, там она выглядит так странно, что мы бы ее не узнали. Но на Земле все живое состоит из миллиардов замысловатых молекулярных наномашин. Они работают сообща в похожем на пузырек защитном устройстве, которое мы считаем строительным элементом всего живого – основной структурной, функциональной и биологической единицей всех известных живых организмов. Эти защитные пузыри называются клетками. Английское слово cell, означающее клетку, происходит от латинского cella, что, в свою очередь, переводится как «маленькая комната». Клетки – мельчайшие единицы жизни, способные самостоятельно воспроизводиться. Они живут за счет тонких потоков питательных веществ и свободной энергии в окружающей их среде.

Жизнь очень сильно воздействует на нашу планету, потому что живые организмы создают собственные копии, способные приумножаться, распространяться, разрастаться и видоизменяться. За 4 млрд лет их колоссальная армия трансформировала Землю и создала биосферу – тонкий слой на поверхности планеты, состоящий из живых организмов и всего, что ими образовано, что они изменили или оставили после себя.

Жизнь – очень загадочная вещь: кажется, что внутри любой клетки царит полный бардак, как будто миллион молекул устроили бои в грязи, но при этом целая клетка производит впечатление, словно она действует осмысленно. Как будто что-то ведет ее изнутри, пункт за пунктом двигаясь по некоему списку дел. Список простой: 1) остаться в живых вопреки энтропии и непредсказуемым условиям и 2) создать копии себя самой, которые смогут делать то же самое. И так далее, от клетки к клетке, из поколения в поколение. Здесь, в этом стремлении достичь одного результата и избежать другого, кроятся корни страсти, заботы, жизненных целей, этики и даже любви. Возможно, даже зачатки смысла, если понимать его как способность придавать разное значение разным событиям и знакам. Что значит эта большая белая акула сзади меня?

Видимость (возможно, иллюзия) осмысленности – это нечто новое. Это несвойственно другим сложным явлениям, которые мы наблюдали до сих пор. Можно ли говорить о целях звезды? Планет, горных пород? Или даже Вселенной? Скорее нет, по крайней мере, не с позиций современной истории происхождения мира. Но живое устроено иначе. Вместо того чтобы пассивно принимать правила энтропии, оно, как упрямый ребенок, отпихивается и пытается торговаться. Живые существа не просто образуют неподвижные структуры в пространстве, как протоны или электроны. Они существуют не за счет энергетических запасов, как звезды, что поедают протоны из кладовки, которую плотно набили при их рождении, и распадаются, стоит кладовке опустеть. Живые организмы постоянно выискивают в окружающей среде новые потоки энергии, чтобы сохранять свое сложное, но нестабильное состояние. Камни себя так не ведут; так ведет себя птица, вставшая на крыло. Живые организмы продолжают полет (в термодинамическом смысле), поглощая свободную энергию, чтобы в ходе сложных химических процессов атомы и молекулы перестраивались определенным образом, который позволяет живому оставаться живым. Если организм больше не может уплачивать энтропии энергетический налог, он терпит крах.

Энергия и жизнь! Помню, в Австралии я наблюдал, как мои дети превращают энергию бутербродов с веджимайтом[48] в бурную энергию движения, бегая по саду. Можно даже измерить скорость, с которой течет свободная энергия (в том числе из бутерброда с веджимайтом), превращаясь в энергию речи, бега и, наконец, тепловую энергию, причем энтропия на каждом этапе растет. Человек в среднем употребляет 2500 калорий в день, это около 10,5 млн джоулей (джоуль – мера работы энергии; одной калории соответствует около 4184 джоулей). Поделите это на 86 400 секунд в день, и получится, что человек каждую секунду задействует около 120 джоулей. Это «номинальная мощность» человеческого существа: 120 ватт, чуть больше, чем у обычной лампочки[49].

Жизнь с ее вечными попытками дать энтропии отпор представляет собой новый вид и новый уровень сложных явлений. В теории сложных систем объекты этого уровня иногда называют сложными адаптивными системами. До сих пор мы говорили о сложных физических системах: поведение их составляющих обычно можно прогнозировать, исходя из основных правил действия Вселенной; составляющие же сложных адаптивных систем выглядят так, как будто у них есть собственная воля. По-видимому, они следуют дополнительным правилам, которые выявить уже труднее. Действительно, сложные адаптивные системы, например бактерии, ваша собака или международные компании, ведут себя так, как будто каждая их часть – это действующее лицо, агент с собственной волей, так что каждый элемент постоянно подстраивается под поведение множества других. В результате они ведут себя чрезвычайно сложно и непредсказуемо[50].

Упомянув так называемых агентов, я протащил сюда новую идею, которая будет становиться все важнее, – идею информации. Когда агенты реагируют друг на друга, они реагируют на информацию о том, что происходит вокруг них, в том числе о том, что делают другие агенты. Если считать информацию персонажем нашей современной истории происхождения мира, то она будет действовать под прикрытием, маскируясь, будет управлять событиями, сама оставаясь в тени. Энергия вызывает изменения, ее работу обычно можно увидеть, но информация управляет изменениями, часто из-за кулис. Как пишет Сет Ллойд: «Энергия заставляет физические системы что-то делать, а информация говорит, что именно нужно делать»[51][52].

В самом общем виде информация заключена в правилах, которые, ограничивая количество возможностей, влияют на результат. Одно из самых известных ее определений – это «различие, которое вызывает различие»[53]. Правила определяют, какие из всех мыслимых изменений действительно возможны в определенное время в определенном месте, и это дает различные результаты. Информация начинается с законов физики, базовой операционной системы нашей Вселенной. Они направляют изменения по определенным путям, например туда, где в итоге гравитация создала первые звезды. Информация в этом самом общем смысле ограничивает возможности, а значит, уменьшает степень случайности. Поэтому кажется, что чем больше информации, тем меньше энтропия, тем меньше потенциал беспорядка, который последней так люб. Такая информация универсальна, это правила, встроенные в каждую крупицу материи и квант энергии. Гравитации никто не говорил, что делать, она просто взялась за работу.

Но в бытовом смысле слово «информация» означает нечто большее, чем правила. Это правила, которые считывает человек, агент или предмет, – собственно, какая-то сложная адаптивная система. Информация такого рода появляется, потому что многие важные правила не универсальны. Они изменяются в зависимости от места и времени, как законы человеческого общества. С развитием Вселенной возникли новые среды, например глубокий космос, облака космической пыли и поверхность каменистых планет. В этих средах действовали собственные местные правила, которые не были универсальными. Местные правила приходится читать, расшифровывать или изучать, подобно тому как перед поездкой в Монголию следует выяснить, по какой стороне дороги ездят местные водители (кстати, по правой).

Сложные адаптивные системы выживают лишь в совершенно определенных условиях, так что им нужно уметь читать или расшифровывать не только универсальные правила, но и местную информацию. И это нечто новое. Всем формам живого необходимы механизмы интерпретации местной информации (такой как присутствие различных химикатов или особенности локальной температуры и уровня кислотности), чтобы они могли правильно реагировать («Что мне делать: обнять это, съесть или убежать?»). Философ Дэниел Деннет пишет: «Животные – не просто травоядные или плотоядные. Они… информоядные»[54]. На самом деле это относится ко всем живым организмам. Они все потребляют информацию, и механизмы, с помощью которых они считывают местную информацию и реагируют на нее – будь то глаза, щупальца, мышцы или мозг, – во многом и делают их сложными.

Локальные условия нестабильны, так что живым организмам приходится постоянно наблюдать за средой внутри и снаружи самих себя, чтобы отмечать существенные изменения. При этом по мере усложнения им нужно все больше и больше информации, ведь у более сложных структур больше движущихся частей, а между частями больше связей. У кишечной палочки, бактерии, которая, скорее всего, благоденствует у вас в кишечнике, пока вы это читаете, на движение и восприятие отведено около 5 % молекулярных ресурсов, но в вашем теле большинство органов прямо или косвенно занимается либо восприятием, либо движением, начиная с мозга и заканчивая глазами, нервными волокнами и мышцами[55]. Существует широкий спектр систем, собирающих и анализирующих информацию, самая передовая из них – современная наука, а начались они с примитивных органов чувств древнейших одноклеточных организмов.

Разумеется, энтропия зорко следит за всем этим. Если более высокий уровень сложности означает большее количество информации, то, повышая и то и другое, вы снижаете энтропию с ее неопределенностью и беспорядком. Это не проходит незамеченным. Энтропия потирает ручки, думая об энергетических налогах и пошлинах, которые она сможет брать с ростом сложности и количества информации[56]. На самом деле есть мнение, что идея жизни ей вообще-то нравится (и что, возможно, она поощряла ее возникновение во многих частях Вселенной), потому что живое расходует свободную энергию гораздо активнее, чем неживое.

Объяснить, как возникла жизнь на Земле, и попытаться понять, могло ли что-то похожее появиться в других местах Вселенной, – это одна из самых сложных задач в современной науке. На данный момент нам известна лишь одна планета, на которой есть жизнь. Астробиологи ищут живое в других местах в рамках программы поиска внеземных цивилизаций SETI, которая начала свою работу в 1960 году, но до сих пор ничего не нашли. Пока что нам приходится ограничиваться тем, чтобы изучать происхождение жизни на Земле. Это уже очень сложно, потому что для этого нужно выяснить, что происходило на нашей планете почти 4 млрд лет назад, когда все здесь было совершенно другим.