Сезар Идальго - Как информация управляет миром

Как Эрвин Шредингер, лауреат Нобелевской премии в области физики 1933 года, отметил в своей книге 1944 года «Что такое жизнь?», мы не можем понять долговечность физически воплощенной информации, рассматривая только жидкие системы, которые мы использовали в наших примерах. Сигаретный дым, водовороты, капли чернил и газы являются жидкими системами, и большая часть их эфемерности обусловлена текучестью. Таким образом, вторая причина «липкости» информации и ее способности к перекомбинированию связана с тем, что она воплощена в твердых телах. Давайте снова рассмотрим водоворот в ванне, только теперь предположим, что у вас есть волшебная палочка, которая позволяет заморозить или кристаллизовать этот водоворот одним движением руки. [39]Возьмите воображаемые щипцы для льда и извлеките водоворот из его ледяного заточения. То, что окажется у вас в руках, является небольшим квантом информации. Пока вы не разморозите водоворот, информация, которая присутствовала в соответствующем информационно насыщенном устойчивом состоянии, будет сохраняться. [40]Переведя водоворот в твердую форму, мы закрепили информацию, сгенерированную в жидком мире, и получили кристалл информации, который мы можем использовать для понимания сложности нашего мира.

Насколько мне известно, заморозить водоворот физически невозможно, однако эта мысленная картина позволяет нам понять важность твердых тел для постоянства и эволюции информации. В книге «Что такое жизнь?» Шредингер подчеркнул, что твердые тела имеют решающее значение для объяснения информационно насыщенной природы жизни. Шредингер, как и каждый современный ему биолог, понимал, что информация, необходимая для построения биологического организма, была скрыта где-то внутри клетки, либо в белках, либо в ДНК. [41]С физической точки зрения и белки, и ДНК технически представляют собой кристаллы. Точнее они являются апериодическими кристаллами (структуры, которые не повторяют друг друга, но содержат крупномасштабные корреляции). Представьте партитуру, в которой снова и снова повторяются одни и те же четыреноты. Содержащийся в ней объем информации будет минимальным по сравнению с партитурой, в которой превалируют вариации.Шредингер понял, что апериодичность была необходима для хранения информации, поскольку обычный кристалл не мог содержать большой объем информации: «Ген точно не является однородной каплей жидкости. Скорее всего, это большая белковая молекула, в которой каждый атом, каждый радикал, каждое гетероциклическое кольцо играет особую роль, более или менее отличную от той, которую играет какой-либо из других аналогичных атомов, радикалов или колец». Согласно Шредингеру, феномен жизни зависит как от апериодичности биологических молекул, так и от твердой кристаллической природы. Апериодичность необходима для того, чтобы молекула воплощала информацию, а твердая природа молекулы позволяет этой информации сохраняться.

Таким образом, объединив идеи Пригожина и Шредингера, мы можем понять, откуда берется информация (устойчивое состояние неравновесных систем) и почему она сохраняется (потому что хранится в твердых телах). Поэтическая причуда такой комбинации заключается в том, что согласно ей наша Вселенная является одновременно замороженной и динамичной. С точки зрения физики твердое тело является «замороженным», поскольку его структура устойчива к тепловым флуктуациям окружающей среды. [42]Наши города состоят из таких твердых тел, как автомобили, здания, автобусные остановки, метро и тротуары. Наши дома созданы из таких твердых тел, как кухонные раковины, холодильники, посуда, лампочки и стиральные машины. Наши клетки также состоят из твердых тел, которыми являются десятки тысяч белков, участвующие в клеточном шоу. Тем не менее автомобили и белки представляют собой подвижные твердые тела. Города и клетки являются динамическими системами, в которых твердые тела перемещаются относительно друг друга. Твердость этих объектов позволяет накапливать информацию с низкими издержками, поскольку твердое тело охраняет воплощенную в нем информацию от кровавых когтей энтропии, хотя бы на короткое по масштабам космоса время.

Тем не менее рост объемов информации подразумевает нечто большее, чем кристаллические твердые тела и динамические водовороты. Для того чтобы информация по-настоящему накапливалась, Вселенной требуется еще один трюк. Это способность материи к обработке информации, то есть способность материи производить вычисления.

Рассмотрим дерево. Дерево в своем «полузамороженном» состоянии представляет собой компьютер, питаемый солнечным светом.Дерево в Новой Англии реагирует на продолжительность светового дня и выполняет различные программы в зависимости от времени года. Оно определяет, когда следует сбрасывать листья, а когда выращивать новые. Дерево обрабатывает информацию, поступающую из окружающей среды. Белки, организованные в сигнальные пути, помогают дереву определить, как ему следует растить корни, чтобы добраться до воды, в которой оно нуждается, как активировать иммунный ответ, когда ему угрожают патогены, и как направить листья к солнцу, света которого оно жаждет. Дерево не обладает сознанием или языком, который есть у нас, однако оно, как и мы, способно обрабатывать информацию. У дерева есть ноу-хау, хотя его способ обработки информации отличается от нашего интеллекта и больше напоминает такие бессознательные процессы, происходящие в наших телах, как пищеварение, иммунитет, гормональная регуляция и так далее.

Хотя технически дерево представляет собой компьютер, его источником питания является не электрическая розетка, а солнце. Дерево – это компьютер, который, как и мы, не может использовать язык программирования MATLAB, но, в отличие от компьютеров и нас, имеет ноу-хау, позволяющее производить фотосинтез. Деревья могут обрабатывать информацию благодаря тому, что они представляют собой устойчивые состояния неравновесных систем. Деревья обладают ноу-хау, которые используются ими для выживания.

Однако поскольку дерево является живым, я не могу, используя его в качестве примера, утверждать, что вычисление предшествует жизни (хотя это представляет собой убедительный пример вычисления, которое предшествовало появлению людей). Чтобы проиллюстрировать пребиотическую природу способности материи обрабатывать информацию, нам следует рассмотреть более фундаментальную систему. Именно здесь пригодятся химические системы, которые завораживали Пригожина.

Рассмотрим набор химических реакций, которые превращают вещества [43]в набор выходов [44]через промежуточные соединения. [45]Теперь представим, что в эту систему постоянно поступают вещества. [46]Если поток веществ [47]небольшой, то система придет в устойчивое состояние, в котором промежуточные вещества [48]будут производиться и потребляться таким образом, что их количество не станет подвергаться сильным флуктуациям. Система достигнет состояния равновесия. Однако в большинстве химических систем, как только мы усилим поток, [49]это равновесие окажется неустойчивым, а это означает, что устойчивое состояние системы будет заменено двумя или несколькими устойчивыми состояниями, отличными от исходного состояния равновесия. [50]Когда возникнут эти новые устойчивые состояния, системе нужно будет «выбирать» между ними. Это значит, что ей придется перейти к одному или другому, нарушив симметрию системы, и развить историю, отмеченную этими выборами. Если мы еще больше усилим поток входных соединений{В}, то эти новые устойчивые состояния станут неустойчивыми и возникнут дополнительные новые устойчивые состояния. Это увеличение количества устойчивых состояний может привести химические реакции к таким высокоорганизованным состояниям, как те, которые присущи молекулярным часам, являющимся химическими осцилляторами, соединениями, периодически меняющими тип с одного на другой. Но разве такая простая химическая система способна обрабатывать информацию?