Сделай Сам Свою Работу на 5

Жизнь и разум – однородное продолжение законов неживой природы

В науке господствует представление о том, что жизнь на Земле возникла и развилась как некая гигантская флуктуация, направленная против второго начала термодинамики, то есть как явление уникальное. Естественно, что вероятность возникновения такой флуктуации где-нибудь ещё во Вселенной и даже на других планетах Солнечной системы считалась исключительно малой. Такое участвовало и в скептицизме относительно возможности жизни на Марсе. В отношении Марса давление новых данных в пользу существования на нём жизни оказалось столь велико, что этот довод “против” сочли самым лучшим – забыть. Даже ставят вопрос (официальные лица), что значение полётов на Марс в том, чтобы установить возможность множественности жизни на планетах во Вселенной.

Жизнь должна возникать не вопреки стремлению к беспорядку, выражаемому вторым началом термодинамики, а как его следствие, то есть в результате увеличения беспорядка. Тут читатели возмутятся. Симметрия и красота хвоста павлина, идеальная гидродинамика дельфина, охотничье совершенство и сила льва, наконец, разум человека со всей его поэзией, музыкой, картинами, наукой, техникой, компьютерами и интернетом, полётами в космос – это рост беспорядка? Да не может такого быть потому, что не может быть никогда!

Природе возмущения человека безразличны. В работах [4] – [9] впервые исчерпывающе показано, что жизнь во Вселенной является высоковероятным явлением потому, что на основе второго начала термодинамики однородно продолжает законы неживой природы – жизнь есть результат самопроизвольного стремления процессов природы к максимуму беспорядка, описываемого физической переменной энтропией. Жизнь возникает закономерно и практически мгновенно в планетарных масштабах времени как только это разрешают геофизические условия на планетах. Поясню результаты, полученные в [4] – [9].

Термин – энтропия – большинству читателей знаком, хотя у многих особого восторга и понимания не вызывает. Представления о порядке и беспорядке из повседневной жизни Людвиг Больцман ещё в 1872 г. воплотил в математическое определение энтропии.



Обыденно порядок, когда каждая вещь лежит на своём единственном месте, например, в ящике или на полке. Соответственно беспорядок, когда она же может оказаться случайно в любом из возможных таких мест. Подсчитаем число всех вариантов-перестановок «занять места» и примем это число в качестве количественной меры беспорядка. Не важно чего – атомов в газе, клеток в организме или принципов конструкций, выбором из которых Эйфель создал свою знаменитую башню. Подсчёт вариантов-перестановок с ростом количества «мест» и «предметов» быстро приводит к астрономическим числам. Если использовать их логарифм, то длинные ряды цифр исчезают – в природе не найти количеств, которые нельзя было бы описать в пределах логарифма, не превышающего сотню. Этот логарифм числа возможных состояний и есть пугающее многих слово – энтропия. Самопроизвольности её роста требует второе начало термодинамики (подробности, в том числе и новые, об определениях энтропии можно прочесть в [6] глава VI §4).

В этом возникает парадокс. Если система достигла равновесия, то рост энтропии прекращается. Этим, казалось бы, задаётся предел любых форм развития. Термин энтропия придумал в 1865 г. Р. Клаузиус. Он же первым сформулировал этот парадокс в виде предположения о неизбежной “тепловой смерти” Вселенной. О недоверии к такой гипотезе написано с избытком. Однако более простое осталось без внимания. В природе постоянно встречаются случаи равновесия для её объектов. Например, горные породы есть “тупик равновесия” для составляющих их микроэлементов. Как же тогда возможно, оставляя без внимания Вселенную, непрерывное развитие хотя бы в простых примерах природы вокруг нас? В порядке ответа на этот вопрос считается, что с помощью подвода энергии извне, нарушающего равновесие, парадокс устраняется. Известный многим И.Р. Пригожин назвал это “от существующего к возникающему”. Однако всё “возникающее” таким образом является не более чем “остановками” на пути к предзаданному “тупику равновесия”.

Разрешение этого парадокса дано в работах [4] – [9]. Развитие в природе происходит на основе цепочки: случайности – условия – запоминание. Синонимом запоминания в природе является устойчивость её объектов и процессов. В частности, критерии, позволяющие определить устойчивость, сформулированы известным российским математиком и механиком А.А. Ляпуновым. Для определения устойчивости используются функции, которые названы в его честь. Например, для устойчивости шарика на дне лунки функцией Ляпунова является потенциальная энергия. Наиболее часто в природе функцией Ляпунова служит энтропия и её приращения. “Возникающее” Пригожина соответствует случаям устойчивости при максимуме энтропии и разных вариантах экстремумов её приращений.

В природе существуют объекты с размножением. Начало им даёт единственный элемент со своими признаками. Соответственно для него как единственного беспорядок (то есть энтропия) ноль, минимален. С ростом числа таких новых элементов энтропия растёт. Старый “тупик равновесия” преодолён путём роста энтропии. Парадокс устранён. Но рост энтропии (беспорядка) происходит по отношению к новым признакам системы.

Отсюда получается для развития в природе иерархия цепочек случайности – условия – запоминание. Она показана на рис. 3, где в квадратиках внизу указаны знаки для энтропии и её приращений, отвечающие условию разрушения тупиков равновесия. Это описывает введенный в [5] принцип максимума производства энтропии. Стрелки вниз на рис. 3 отвечают “возникающему” в процессах, упирающихся в тупик следующего равновесия. В результате происходит непрерывное развитие, в процессе которого энтропия растёт, но иерархическими ступенями. На каждой из ступеней элементы отличаются новыми характерными признаками и условиями для них, что гарантирует непрерывность развития, несмотря на тупики равновесия.

Известное свойство энтропии состоит в том, что дополнительные условия уменьшают её величину. Поэтому диапазон изменения энтропии (беспорядка) на каждой следующей ступени иерархии меньше по отношению к предыдущей, хотя в сумме беспорядок только растёт. Это показано на рис. 4.

В природе на каждой ступени иерархии роста беспорядка объекты предыдущего уровня участвуют как целое, спрятав предысторию в свойства объектов на данном уровне иерархии. Человек наиболее наглядно видит ту ступень иерарахии роста беспорядка (энтропии), к которой принадлежит он сам, и ближайшие к ней младшие. Внутри них диапазон беспорядка мал. Вот почему кажется, что жизнь, человек, его разум и творчество возникли и существуют в результате увеличения порядка.

 

В итоге возникновение и эволюцию жизни можно представить схемой рис. 5. Свойства энтропии позволяют произвольно установить первую ступень отсчёта иерархии её роста. Например, ступени можно начать от атомов. Они имеют свой беспорядок заполнения электронных оболочек. От его итогов зависит беспорядок мест, занимаемых атомами в молекулах. Его максимум среди элементов таблицы Менделеева отражает огромное количество соединений на основе углерода. Отмечу, что количество соединений с участием водорода больше, чем для углерода, но валентность у водорода одна, поэтому число возможных состояний для него меньше, чем для углерода.

На это накладывается условие прочности химических связей. В результате получается список химических элементов, которые известны из наблюдений как наиболее характерных для всех форм жизни (на рис. 5 в середине). С их участием формируются специфические для жизни биомолекулы. Их отличие в том, что в составе клеток они гарантируют дальнейшие превращения, сопровождающиеся ростом энтропии.

Условие, ограничивающее беспорядок внутриклеточных комбинаций молекул (химических реакций с их участием), выражает известный в биохимии принцип структурной комплементарности – возможность в живых системах цепочек до 20 безотходных реакций, когда продукты предыдущих реакций полностью используются в последующих. Известные в технике “полимеры” являются тупиком равновесия. Соединения на основе молекул 20 аминокислот и 5 нуклеотидов способны с участием принципа структурной комплементарности образовывать огромное число сложных органических соединений. Это становится источником случайностей (беспорядка) для преодоления ещё одного тупика равновесия, в котором участвуют РНК и ДНК.

Про РНК и ДНК, об информации в них, о генетическом коде, о комбинациях кодонов, с помощью которых он реализуется, большинство читателей слышали. Однако простое про эти молекулы забывают. Все прочие молекулы – это энергетически наиболее выгодные «однозначные упаковки» атомов. Они могут либо участвовать как целое в химических реакциях, либо в других условиях – разрушаться. Молекулы РНК и ДНК принципиально отличаются от такого. Произвольные перестановки кодонов внутри них совместимы с энергетическими законами их «упаковки». Это создаёт новые признаки, новые случайности для них, новую ступень иерархии роста беспорядка.

Человеку возникновение РНК, образование ДНК кажется непостижимым чудом роста упорядоченности. Однако для природы всё это только возможность реализовать дополнительный беспорядок за счёт произвола перестановок кодонов и следствий этого для химических реакций. Такое соответствует второму началу термодинамики, а потому обязательно реализуется как только возникают геофизические условия, в которых РНК и ДНК могут существовать. Благодаря этой сугубо физической и химической особенности молекул РНК и ДНК природа реализует рост беспорядка путём, который невозможен для любых других молекул. Но и тут бы возник очередной тупик равновесия, если бы не дискретность комбинаций кодонов в РНК и ДНК (генетический код), отличающая принцип их участия в химическом катализе.

Известно, что с математической точки зрения оптимален такой код (алфавит), основание которого выражается иррациональным числом, округлённо равным 2,7. В современных компьютерах используется целочисленный двоичный алфавит, то есть основание 2. Ближе к оптимальной иррациональной величине, а потому эффективнее, число 3, но случайные и технологические причины прошлого заблокировали развитие созданных Н.П. Брусенцовым в МГУ троичных компьютеров. Основание генетического кода – число 4. От “хорошего” алфавита это далеко. Более того, в нём есть недостатки, которые не пропустил бы ни один инженер, проектирующий аппаратуру связи. В результате возникает следующая ступень роста беспорядка, основанная на неоптимальности, несовершенстве кодирования информации в ДНК. Итогом перечисленных укрупнённых ступеней роста беспорядка, предолевающих тупики равновесий, является жизнь со всеми её кажущимися невероятными ухищрениями “совершенства в достижении цели”. Но цели нет! Есть только запоминаемый в данных условиях иерархический рост беспорядка.

Случайности, приводящие к детерминизму в том смысле, который отображен на рис. 5, – это и есть главная причина реальности (или даже обязательности) множественности жизни во Вселенной и на планетах Солнечной системы в том числе! Природа с помощью жизни увеличивает беспорядок созидательно, а не путём распада. Жизнь от самых простейших бактерий до человека и его разума есть результаты использования природой этой новой возможности.

Кажущееся людям самым невероятным – первичное возникновение жизни (во всяком случае на Земле) произошло «мгновенно». Доказывают это сине-зелёные водоросли – одноклеточные организмы, сохранившиеся до наших дней. Они являются сложными формами жизни с вполне современной фотосинтезирующей энергетикой на основе хлорофилла. Возникли они по разным оценкам в среднем около 4 миллиардов лет назад. Но тогда геофизическая история Земли оставляет ничтожные времена от начала температур, совместимых с существованием органических молекул, до возникновения жизни и итога её эволюции в виде сине-зелёных водорослей – вполне современных организмов.

«Бог не играет в кости» – когда-то сказал А. Эйнштейн о роли случайностей в природе. Он прав в том смысле, что напрямую независимые случайности выпадения очков игральной кости или простой перебор пробами и ошибками случайных вариантов в природе реализуются не слишком часто. Природа лишена азарта личного выигрыша в виде цели. Тем более возникновение жизни не происходило путём только проб и ошибок. Закон для случайностей о самопроизвольном росте беспорядка (энтропии) причина возникновения и эволюции жизни. Иерархия приводит к уменьшению диапазона случайностей по мере роста номеров ступеней, что кажется человеку увеличением порядка.

Ключей к проблеме жизни на Марсе два.

Первый из них. Как показано в работах [4] – [9], второе начало термодинамики делает жизнь во Вселенной высоковероятным и даже обязательным явлением. На Земле жизнь существует. Начало планетарной и геофизической истории Марса было подобным земному. Вот почему вряд ли можно сомневаться, что жизнь на Марсе была. Сегодня она походила бы на земную и явно наблюдалась бы с Земли. Планетарная катастрофа её эволюцию прервала.

Второй ключ содержится в доступных сегодня точных расчётах параметров и результатов ударных волн, вызванных образованием кратера Эллада. В частности, они помогут в выборе мест для поисков остатков прошлой жизни на Марсе с помощью космических аппаратов. Уж точно в выбросах пород из Эллады, заполонивших его южное полушарие, жизнь искать непродуктивно. В это вмешивается и аналогия с тем, как если бы о параметрах атмосферы на всей Земле судили по по её давлению на вершине Эвереста. Простейшие остатки жизни после катастрофы могли заселить глубину кратера Эллада, где из-за разницы высот даже сейчас относительно плотная атмосфера. Несомненно, что там какое-то время после катастрофы существовала свободная вода. Жизнь могла сохраниться или возникнуть вновь в гидротермальных вулканических зонах. Технические трудности поисков в этих областях велики. Подсказки по результатам расчётов последствий ударных волн могут их уменьшить.

Кстати, из-за меньшей массы Марса давление атмосферы на его поверхности до катастрофы должно было быть существенно меньше, чем на Земле. Но понятие – жизнь и образование с её участием кислорода не связано обязательно с воздушной средой. Жизнь на Марсе из-за малой плотности его атмосферы в прошлом могла не выйти в земных формах на его поверхность, а эволюционировать только в водной среде. Это неизбежно ограничивало бы результаты её эволюции по отношению к земнеым формам. Но человек как ступень эволюции жизни для природы необязателен.

Вероятность катастрофы, подобной марсианской, для Земли далеко не мала. Человек разумен и обладает сегодня техникой, позволяющей защитить Землю от подобного. Но для этого надо работать, а занято человечество совершенствованием средств самоуничтожения.

 

Литература:
1.The Globаl Topography of Mars and Implication for Surface Evolution. Nature. V. 284. 28 May 1999.
2.В.Н. Жарков, В.И. Мороз. Почему Марс? Природа. №6. 2000.
3.А. М. Портнов. Как погибла жизнь на Марсе. Наука и жизнь. №4. 1999.
4.А.М. Хазен. Происхождение и эволюция жизни и разума с точки зрения синтеза информации. Биофизика. Т. 37. №1. С. 105-122. 1992.
5.А.М. Хазен. Принцип максимума производства энтропии и движущая сила прогрессивной эволюции. Биофизика. Т. 38. №3. С. 531-551. 1993.
6.А.М. Хазен. «Разум природы и разум человека» (М.: НТЦ Университетский. 2000).
7.А.М. Хазен. «Введение меры информации в аксиоматическую базу механики» (М.: РАУБ. 1998).
8.А.М. Хазен. Первые принципы работы мозга, гарантирующие познаваемость природы» (М. 2001).
9.А.М. Хазен. Сайт: http://www.kirsoft.com.ru/intell



 

Приложения:

1. После выхода в свет в журнале «Наука и жизнь» этой статьи появились новые данные, убедительно подтверждающие утверждения в ней об «отколе». Европейское космическое агентство (ЕКА) представило фотографии Марса со станции «Марс-экспресс», в частности, вулкана Олимпус. Одна из них показана на рисунке. На ней чётко видна граница откола «тарелки» такая, как если бы её выдавил «поршень» изнутри планеты. Но реально именно таким поршнем и являются напряжения за фронтом отражённой от свободной поверхности ударной волны. В самом центре «тарелки» виден кратер. Он имеет трёхкилометровую глубину. Он соответствует узкой области «острия фокуса» ближе к поверхности планеты, где напряжения оказались столь большими, что выбросили породу вовне. Это и создало собственно жерло вулкана.


2. Американский марсоход Opportunite снял всего несколько сантимеров с поверхности масианского грунта и обнажил более яркие и светлые породы под обычным для Марса тёмно-красным цветом поверхности, содержащей много окислов железа. Это убедительно подтверждает, что, как и было объяснено выше, Марс только «покрашен сверху» тонким слоем окислов железа.

 



©2015- 2019 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.