Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса - Бобби Азарян

равновесия. Именно это происходит в ходе так называемой реакции Белоусова – Жаботинского, которую Пригожин изучил и смоделировал математически. В этом примере эмерджентности определенная смесь химических веществ образует реакционный раствор с поразительными пространственными и временными закономерностями, видимыми невооруженным глазом. Более того, цвет раствора колеблется от синего до красного через равные промежутки времени, создавая самые настоящие химические часы! Эти красочные часы – поразительная иллюстрация того, как термодинамический дисбаланс приводит к появлению упорядоченного механизма.

Аттракторы создают порядок, сдерживая хаос

Диссипативные структуры бывают самых разных форм и размеров, но все они циркулируют вокруг стабильных динамических состояний упорядоченности, которые ученые, изучающие сложные системы, называют аттракторами. Аттрактор – это набор состояний или конфигураций, к которым динамическая система стремится естественным образом, независимо от ее начальных условий, то есть того, с чего сформировалась система. Представьте себе мяч, катящийся с холма в долину. Ложе долины является аттрактором. Не имеет значения, с какой точки холма мяч стартовал, – в итоге он все равно окажется внизу. И поскольку нахождение внизу представляет собой состояние, в котором система минимизирует свою потенциальную энергию, то, как только мяч туда попадает, он обычно там и остается. Конечно, приток энергии извне мог бы вывести его из аттрактора, но спонтанно выход из аттрактора не происходит.

Тогда как для изолированных систем аттрактором является равновесное состояние полного хаоса и максимальной неупорядоченности, открытые системы, принимающие поток энергии, неизбежно движутся к неравновесным аттракторам – устойчивым состояниям упорядоченности, которым удается сохраняться за счет постоянного поглощения и рассеивания энергии из окружающей среды. В отличие от изолированной системы, где взаимодействующие молекулы в состоянии термодинамического равновесия «исследуют» свое конфигурационное пространство (трехмерное пространство возможных конфигураций), в сущности, случайным образом, открытая система, управляемая постоянным потоком энергии, будет детерминированно развиваться в направлении аттрактора – области конфигурационного пространства, соответствующей стабильному молекулярному положению.

Поскольку для сохранения стабильного состояния неравновесия постоянно требуется свободная энергия, то конфигурация аттрактора, к которому движется система, способствует оптимальному поглощению и диссипации энергии. Другими словами, естественное давление, направленное на минимизацию свободной энергии и производство энтропии, самопроизвольно создает упорядоченную структуру с целевой функцией. В появлении диссипативных структур мы видим возникновение цели в природе, и эта космическая цель связана с максимизацией скорости производства энтропии.

Если диссипативная система еще больше отдаляется от равновесия из-за увеличения скорости потока энергии и если она выдержит давление, то в конечном итоге будет преодолен другой критический порог, и развивающаяся система войдет в новый аттрактор – с конфигурацией, еще больше усиливающей поглощение энергии и ее диссипацию. Этот переход в состояние более высокого порядка известен как фазовый переход, и хотя мы можем примерно предсказать, когда такой переход, скорее всего, произойдет, предугадать свойства новой фазы часто бывает трудно или даже невозможно, поскольку процесс столь же хаотичен, сколь и упорядочен. Это означает, что, пока в космосе течет энергия, природа всегда будет преподносить нам интересные сюрпризы, сформированные изящным танцем на грани порядка и хаоса, который приводит к эмерджентности.

Рождение неравновесной термодинамики

Экспериментальная теоретическая работа Пригожина по диссипативным структурам впоследствии принесла ему Нобелевскую премию в 1977 году, но важнее то, что она дала начало совершенно новым областям физики и химии, таким как неравновесная термодинамика и тесно связанная с ней неравновесная статистическая механика (часто их объединяют под термином неравновесная физика). Эта быстро развивающаяся область исследований легла в основу теории сложных систем и оказывает значительное влияние на биологию и многие другие области, в немалой степени благодаря ученым из Института Санта-Фе – центра теоретических исследований, основанного в 1984 году, – и их коллегам в самых разных университетах и аналитических центрах по всему миру.

Хотя уравнения Пригожина описывали только возникновение и поведение простых физических и химических диссипативных структур (определенно, не сложнее, чем формирование или функционирование клетки), был очевиден и многозначительный вывод: живые организмы, поддерживающие свое упорядоченное, далекое от равновесия состояние путем захвата и расходования свободной энергии в ходе химического процесса метаболизма, представляют собой очень сложные диссипативные структуры. Если вы нарушите приток энергии к ним, то они, как и все диссипативные структуры, будут разрушаться и становиться частью хаоса по мере приближения системы к состоянию термодинамического равновесия.

Если живые организмы являются диссипативными структурами, рассуждал Пригожин, то, возможно, происхождение жизни все же не так уж трудно объяснить. Первая форма жизни могла возникнуть в ответ на далекие от равновесия условия, вызванные природным давлением, которое приводило к диссипации теплового или химического градиента (или некоторого их сочетания). В таком сценарии абиогенез переосмысливается как термодинамическое событие, открывшее новые каналы энергетических потоков на Земле для облегчения производства энтропии. И по мере возникновения и расширения этих каналов в процессе снижения термодинамического давления усилившийся поток энергии стимулировал дальнейшую химическую и биологическую самоорганизацию, постепенно приводя к появлению взаимосвязанной глобальной живой сети, которую мы называем биосферой. Очевидно, что именно такую гипотезу имел в виду Пригожин, когда писал: «В равновесии материя слепа; вдали от равновесия она начинает „видеть“»1.

Новая парадигма для понимания жизни

Неравновесная статистическая механика дала ученым парадигму, наконец-то позволившую начать математически описывать динамику и термодинамику сложных химических водоворотов, которые мы называем организмами. По мере роста популярности этой новой парадигмы жизнь постепенно теряет славу крайне невероятного явления. Похоже, что в некоторых далеких от равновесия условиях, таких как те, что имели место на Земле в начале ее истории, биологическое состояние «живости» является аттрактором, появление которого статистически вероятно (или даже просто неизбежно) при наличии достаточного количества времени.

Идея Пригожина звучала замечательно, однако и она не была лишена недостатков. Несмотря на свою убедительность и теоретическую проницательность, Пригожин не смог продемонстрировать свою модель абиогенеза в лаборатории, да и другие не смогли, хотя многие пытались. Вдобавок его теории диссипативных структур не хватало четкого механизма молекулярной самоорганизации, который можно было бы описать точным математическим уравнением. Впрочем, в следующем тысячелетии удалось достигнуть существенного прогресса в обеих этих областях.

Основополагающий труд Пригожина вдохновил многих ученых на изучение проблемы происхождения жизни с термодинамической и статистической точек зрения, в результате чего за прошедшие десятилетия были опубликованы тысячи статей в ведущих научных журналах. Основываясь на этом исследовании и более поздней работе химика Гэвина Э. Крукса из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, молодой физик из Массачусетского технологического института Джереми Ингленд предложил разновидность теории Пригожина под названием «диссипативная адаптация», которая со временем привлекла внимание крупных медиа.

Базовая теория, впервые подробно изложенная в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology в 2015 году, вводит формальный механизм молекулярной самоорганизации под