Алексей Васильевич Артюх
Эволюция Бога. Шокирующая гипотеза возникновения органической жизни
Конечно можно шляпу перед симуляторами эволюции за попытку играть в кукловодов с нитями жизни но доказывать эволюцию на Земле с помощью них это тоже самое что доказывать что резиновые женщины могут беременеть и рожать детей потому что похожи на настоящих.
В нашем мире есть еще кое что что делает Эволюцию по Дарвину странной и несостоятельной.
Это загадка эмоций, сострадания, сочувствия и трогательного желания помочь другим – букет человеческих качеств, над которыми сам Дарвин вероятно чесал голову, когда видел, как мы, люди, плачем над грустной книгой или делаем пожертвования на спасение китов. Как именно эти мягкие чувства вписываются в беспощадную историю о выживании сильнейших?
Вот мы, высшие претенденты на эволюционную лестницу, каким-то образом обремененные кровоточащими сердцами и глазами, оплакивающими других. Представьте себе мир, в котором выживание зависит от того, чтобы быть самым крутым, самым быстрым и самым безжалостным и эгоцентричным, но мы идем, помогая старушкам переходить улицу и усыновлять бездомных щенков веря или не веря в Бога. Дарвин был бы должен задуматься.
Может ли сострадание и все эти эмоции быть ошибкой эволюции?
Немного об энтропии
И если вернуться к началу нашей главы мы должны вспомнить что что-бы появилась первая живая клетка нужно огромное количество совпадений единовременно. Другими словами эволюция неживых молекул не может закреплять постепенно положительные свойства, нужно что- бы тысячи костей выпали в нужной последовательности. Или можно сказать так – неживые молекулы подвержены более высокой энтропии в отличии от жизни и эволюции жизни. Но как получить среду с такой энтропией что бы жизнь могла зародится?
Похоже ли это на зарождение кристалла?
Зарождение кристалла пример с которым приведет почти любой юный физик или биолог для объяснения распределения энтропии и второго закона термодинамики.
Для примера можно рассмотреть раствор, где молекулы вещества свободно перемещаются, энтропия системы высока. Молекулы находятся в хаотичном движении, и их расположение в пространстве не имеет порядка, где каждая молекула может свободно передвигаться, и создавать восхитительный беспорядок, такой-же как непоседливые малыши оставленные без присмотра.
Однако при определенных условиях (например, при охлаждении раствора или испарении растворителя) молекулы начинают притягиваться друг к другу как влюбленные и самопроизвольно организовываться в упорядоченные структуры – кристаллы.
Это происходит потому, чтос силы притяжения между молекулами стремятся расположить их в наиболее энергетически выгодных конфигурациях, что приводит к образованию упорядоченных структур.
А так-же когда молекулы образуют кристаллы, их потенциальная энергия уменьшается. Это означает, что система становится более стабильной и ее энтропия снижается. Но при этом энтропия вокруг должна увеличиваться и энтропия в целом не уменьшается. Тут с физикой всё хорошо, второй закон термодинамики работает отлично. то есть пока кристалл наслаждается обретенной стабильностью, окружающая среда компенсирует это еще большим беспорядком.
Давайте сравним образование кристалла и возникновение первой живой клетки с точки зрения тепловой и информационной энтропии, где оба процесса предполагают локальное уменьшение энтропии при переходе из более неупорядоченного состояния в более упорядоченное. Однако с информационной точки зрения эти явления весьма различны.
Кристаллизация предполагает упорядоченное расположение атомов или молекул в повторяющийся узор.
Уменьшение энтропии внутри кристалла уравновешивается увеличением энтропии в окружающей среде, что соответствует второму началу термодинамики.
Формирование первой живой клетки, или абиогенез, также включает значительное снижение локальной энтропии, поскольку простые молекулы должны превращаться в сложные структуры, такие как белки, нуклеиновые кислоты и мембраны.
Подобно кристаллизации, уменьшение энтропии внутри клетки компенсируется увеличением энтропии в окружающей среде.
Но хотя оба процесса связаны с локальным уменьшением энтропии, содержание информации в живой клетке намного порядков должно превосходить содержание информации в кристалле. А содержание информации в кристалле минимально из-за его периодической и повторяющейся структуры. Положение каждого атома в решетке можно описать, зная расположение одной элементарной ячейки, которое повторяется по всему кристаллу.
Поэтому количество уникальной информации, необходимой для описания всего кристалла, относительно невелико, даже если он драгоценный и находится на вершине изысканности.
Его информативные секреты, какими бы огромными они ни казались, довольно заурядны: повторяющиеся единицы, симметрия и, возможно, немного блеска для пущей убедительности.
Живая клетка содержит огромное количество информации, закодированной в ее молекулярных структурах и биохимических процессах.
Молекулы ДНК несут генетическую информацию в виде последовательностей нуклеотидов (аденина, тимина, цитозина и гуанина) в невероятно сложной последовательности как было описано ранее.
Белки с их сложной трехмерной структурой выполняют широкий спектр функций, необходимых для жизни: от катализа биохимических реакций до обеспечения структурной поддержки. Они связисты, транспортировщики, строители и разрушители, каждый из которых играет свою роль в сложной организации жизни.
Клеточные процессы так-же включают сложные регуляторные сети и сигнальные пути, которые еще больше усложняют информационную сложность, при чем настолько, что даже самая запутанная теория заговора по сравнению будет выглядеть как детская сказка на ночь.
При сравнении этих двух процессов при практически одинаковом тепловом равновесии в двух процессах мы получаем информационное неравновесие в сравнении двух примеров. Поэтому жизнь это что то другое, то что не вписывается в стандарные модели физики. Это не просто состояние бытия, а состояние становления, постоянно развивающееся, вечно удивляющее и всегда ускользающее от четких границ традиционной науки, крутя нити своей ДНК и жонглируя белками, словно какой-то молекулярный цирк.
Второй закон термодинамики также известен как закон энтропии, поскольку он вводит такое понятие, как уровень беспорядка в системе.
Энтропия может уменьшаться без нарушения второго закона термодинамики до тех пор, пока она увеличивается в других частях системы. В конце концов, второй закон термодинамики не говорит, что энтропия не может уменьшаться в определенных частях системы, а только то, что общая энтропия системы имеет естественную и влияет на энтропию.
Как-же большинство физиков и других ученых трактует соотношение энтропии в живом организме и вокруг него?
Физические модели привыкли иметь дело с хорошо ведущими себя системами. Кристаллы с их повторяющимися структурами и предсказуемым поведением – любимчики учителей в физическом мире, и трактовка ведется с точки зрения 2-го закона термодинамики а не сложности и содержащейся информации.
Повторимся что основная точка зрения такова что поглощая ресурсы с низкой энтропией (такие как пища, солнечный свет и т. д.) и выделяя отходы с высокой энтропией (такие как тепло, углекислый газ и т. д.), живые организмы способны поддерживать или уменьшать свою собственную энтропию и увеличивать энтропию их окружения то есть поддерживать баланс. То есть другими словами хоть энтропия в отдельно взятом сегменте пространстава уменьшается а вокруг Энтропия и хаос увеличиваются то есть в их теории всё происходит как и с кристаллом. Но так ли это?
Второй закон термодинамики касается только закрытых систем.
Наука утверждает что живые существа и их среда обитания это не закрытые системы, а открытые системы, обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой.
Лужа под солнцем – это открытая для обмена энергией система, наша планета – тоже открытая система, даже галактика – это открытая система, но когда мы доходим до масштабов целой Вселенной – это открытая система? Скорее всего что закрытая. По сути если Вселенная одна, имеет границы, то она конечна и явлется закрытой системой.
Второй закон термодинамики утверждает, что общий поток энтропии во Вселенной всегда увеличивается. Это означает, что энтропия отдельных систем может уменьшаться только за счет увеличения энтропии других систем. Этот закон касается любого вида энтропии – Энтропии Больцмана основанной на статистической механике и энтропии Клаузиуса основанной на термодинамике, информационной энтропии и других энтропий, хотя возможно найдутся возражения что во вселенной возрастает количество беспорядка в соответствии со статистической механикой и ее температура в целом и среднем понижается в соответсвии с термодинамикой. Тут становится очень интересно, если взять космологическую модель большого взрыва за основную в космологии, то с момента когда Вселенная была наполнена беспорядочно распределенными частицами и уже сформировавшимися атомами водорода возникает вопрос – были ли они в большем порядке чем сейчас во вселенной сформировавшиеся галактики и звездные системы с их планетами и спутниками? Не похоже на это. Согласно теории большого взрыва, вся Вселенная была наполнена хаотично движущимся газом в период от 0 до 380 000 лет после Большого взрыва при этом считается что в самом вначале энтропия была нулевая. Какая была средния температура этого газа через 100000 лет после взрыва определить сложно но Энтропия порядка опеделенна близка к максимуму. Здесь всё прекрасно но потом возникают звезды и галактики уменьшающие энтропию порядка и температуру. То есть при постоянном понижении температуры вселенной энтропия порядка то увеличивается то уменьшается?
С законами термодинамики и космологическими моделями вселенной можно найти несоответсивия в самом начале появления Вселенной. Основной теорией возникновения нашего мира, которая вытекает из наблюдений Вселенной является теория большого взрыва, причиной которого стали квантовые флуктуации. Теория большого взрыва выглядит странно если не допускать существование Бога, взаимодействующей другой вселенной или более глубокого мира существования. В квантовой теории вписанной космологию большого взрыва есть странная черта – то, что она допускает кратковременные нарушения закона сохранения энергии. Система может заимствовать энергию, если этот долг быстро возвращается. Энергия, необходимая для создания вселенной, могла быть заимствована лишь на фантастически короткий момент (допустимая величина заимствованной энергии обратно пропорциональна времени ее возвращения), однако, возможно, этого было достаточно для того, чтобы все что мы наблюдаем сегодня пришло в движение. Кроме того, необходимая энергия могла быть крайне малой или даже нулевой, если принять во внимание отрицательную гравитационную энергию.
Как мы можем объяснить систему, в которой происходит гигантская квантовая флуктуация которая привела к появлению нашего мира?
В дополнение что бы объяснить ускоряющийся разлет галактик в космологии введена темная энергия, которая в последния время постоянно возрастает и влияет на энтропию. Величина этой темной энергии рассчита как примерно 70% от всей массы – энергии и она растет последние миллиарды лет. Согласуется ли это с законами термодинамики? Является ли тёмная энергия космологической константой, или же она является динамическим полем – некой странной квинтэссенцией, такой как фантомная энергия или это что еще более странное и глубинное? В последней главе мы и об этом попробуем подискутировать и на эту тему и возможно даже укажем на связь с самой сутью жизни..
А может Эволюция как самопроизвольное усложнение природных систем совершенно однозначно запрещена 2-м Законом термодинамики? Ведь этот закон и говорит нам о том, что из хаоса никогда, ни при каких условиях сам собой не может установиться порядок. Самопроизвольное усложнение любой природной закрытой системы невозможно. Например, в соответствии со 2-м законом термодинамики «первичный бульон» и даже «вторичная каша» никогда, ни при каких условиях, ни за какие триллионы лет не мог породить более высокоорганизованные белковые тела, которые, в свою очередь, никогда, ни за какие триллионы лет не могли «эволюционировать» в такую высокоорганизованную структуру, как человек. Странно, но мы тем не менее есть.
Может должен существовать четвертый закон термодинамики, который должен объяснить тайну организованности жизненных процессов?
Вот что говорит по этому поводу Стюарт Кауфман, ученый, который ведет исследования в сфере клеточной биологии и психологии.
«Существует ли где-то в космосе четвертый закон термодинамики или нечто подобное, связанное с самоорганизованными неравновесными системами, такими как биосфера?
Мне хочется думать, что такой закон существует. Давайте посчитаем: количество возможных протеинов, из которых состоят все 200 аминокислот, составляет 20 в степени 200, то есть 10 в 260й степени. В известной нам Вселенной элементарных частиц около 10 в 80й степени. Предположим, что на уровне микросекунд Вселенная занята исключительно производством протеинов для 200 аминокислот. Оказывается, что понадобилось бы огромное количество повторений истории Вселенной, чтобы создать все возможные протеины. Создавая тела с более сложной структурой, чем атомы – например, такие простые органические молекулы, как протеины (не говоря уже о биологических видах, автомобилях или опере), – Вселенная следует уникальной траектории.
Возможно, до появления жизни на Земле существовало несколько сотен органически-молекулярных видов; сейчас их больше триллиона. Мы не знаем, какие законы управляют смежной возможностью в этом неэргодическом процессе. Я надеюсь, что один из этих законов состоит в том, что биосферы, существующие во Вселенной, расширяются с максимальной скоростью, при этом поддерживая разнообразие уже существующих видов. Иначе этот закон можно сформулировать так: разнообразие вещей, которые могут произойти в будущем, растет в среднем с максимальной скоростью»
Ну хорошо, давайте мысленно сравним нашу планету 4 миллиарда лет назад и сейчас. Возросла ли энтропия порядка или уменьшилась? Сколько видов организмов живет сейчас на нашей планете и их общая масса? По состоянию на 2024 год, общее количество видов живых организмов на Земле оценивается в 8,7 миллионов. Из них описано и каталогизировано лишь около 1,7 миллионов видов. Масса всех живых организмов на Земле составляет около 550 миллиардов тонн. Из них около 200 миллиардов тонн приходится на растения, около 250 миллиардов тонн – на животных и грибы, а остальные 100 миллиардов тонн – на микроорганизмы.
Как же повлияла вся эта биомасса на энтропию планеты и Вселенной? Если размотать все миллиарды ДНК одного человека, то получится длина около 100 миллиардов километров. Следовательно, длина человеческой ДНК у одного человека составляет примерно 0,00325 парсека или примерно 0,0106 световых года. Это в тысячи раз больше расстояния от Земли до Солнца! Говоря по другому это примерно 0,03% расстояния от Земли до второй ближайшей звезды Проксимы Центавра. Скорость репликации всех ДНК в одном эмбрионе человека на каком то этапе можно сравнивать уже даже со скоростью света! Просто вдумайтесь какое пониженное состояние энтропии порядка только в одном человеке!
Для сравнения общий рост всех живущих людей на земле составляет всего 12 миллионов километров или примерно в 10000 раз меньше чем длина всех ДНК одного человека.
Конечно это просто тонкая нить с незначительной массой. но тем не менее это сверхкачественный продукт упорядочивания материи.
Если же размотать все ДНК всех живых существ живущих в данный момент на нашей планете получится величина сравнимая с размерами видимой части нашей Вселенной. Это показывает воздействие на энтропию жизни только на на одной планете Земля и только если брать только часть наших клеток – только ДНК! Но ведь всё что внутри клетки – ферменты, органеллы, все сложные части клетки – это всё тоже воздействует на энтропию и понижает ее.! Теперь возьмем всё что жизнь построила из живой или неживой материи – гнезда птиц, муравейники, сложные как лабиринты подземные норы и так далее. Даже если допустить что жизнь развивается только на одной планете то она понизила энтропию даже в маштабах вселенной! А если она существует на миллиардах и триллионах планет? Ведь если допустить что в каждой галактике существует только одна планета с живыми организмами то получается что во Вселенной есть сотни миллиардов или триллионы планет заселенных биоорганизмами. На мой взгляд такое малое число крайне маловероятно и их намного порядков больше.
Давайте для наглядности и убедительности рассмотрим сценарий, в котором наша Вселенная представляет собой одну планету, окруженную внутренней зеркальной оболочкой, предотвращающей выход любого фотона. Нет далеких и близких галактик, квазаров, черных дыр и нет никаких звёзд во Млечном пути, то есть нет Млечного пути. Это просто изолированная система с точки зрения физики. Эта очень ограниченная Вселенная, можно сказать что крайне бедная и одинокая, как холодильник бедного студента, всего одна единственная изолированная планета, нагретая своим расплавленным ядром, но имеет океан и на ней развилась жизнь от общего одноклеточного предка до более сложных организмов. Биомасса увеличилась в геометрической прогрессии, а сложность форм жизни на этой воображаемой планете значительно снизила локальную энтропию именно в этих органических жизненных образованиях – микробах и других более сложных представителях.
Хотя для простоты понимая пусть это будут только экстремофилы такие как гидротермальные бактерии, которые используют процесс, называемый хемосинтезом, для получения энергии из неорганических соединений, таких как сероводород или аммиак.
Изначально планета должна существовать в состоянии высокой энтропии с неупорядоченным расположением молекул и высокой тепловой энергией за счет расплавленного ядра, похожего на уютный очаг у кого-то на даче. Это состояние должно представлять собой максимальную энтропию для данного распределения энергии.
По мере возникновения и развития жизни экстремофилы превращают неорганическое вещество в органические соединения, снижая локальную энтропию. Формирование сложных форм жизни из более простых предполагает создание организованных структур, еще больше уменьшающих локальную энтропию. Эта трансформация подпитывается внутренним теплом планеты, которое является решающим фактором в управлении биохимическими процессами.
Биомасса растет экспоненциально, размножаясь как кролики весной
Масса первого единственного исходного одноклеточного организма, или микроскопического Адама или Евы, если хотите, и возникших в результате размножения форм жизни различаются экспоненциально, что указывает на существенное снижение энтропии с течением времени. Эта сложность возникает из-за непрерывного преобразования неорганического вещества в органическое экстремофилами (и
возможно далее по пищевой цепи), демонстрируя общее снижение энтропии. Экстремофилы как величайшие алхимики жизни будут превращать базовые материалы планеты в драгоценную валюту органического вещества.
Хотя тут могут опять противопоставить аргументы что возникновение и увеличение биомассы только локально снижает энтропию за счет создания упорядоченных структур (ДНК, ферментов и других органических молекул), и этот процесс должен сопровождается увеличением энтропии в других местах. Эта связь просто необходима для соблюдения второго закона термодинамики. Так вам будут объяснять. Но что реально произойдет с информационной энтропией в других местах?
Начнем с температуры. Рост органической биомассы обычно представляет собой экзотермический процесс, то есть с выделением тепла. По мере увеличения органического вещества увеличивается и выработка метаболического тепла в результате различных биологических процессов, таких как дыхание и разложение. То есть при огромном количестве биомассы на воображаемой планете наверное должно выделиться немного тепла, и если эти существа живут в океане то температура этого океана чуть повысится. Другими словами, например, усредненная скорость движения молекул воды будет не 700 метров в секунду а 701, вот и всё. И как это повлияет на информационную энтропию Шеннона?
Информационная энтропия Шеннона – это усредненная мера. Разница в 1 м/с, не окажет принципиального влияния на информационную энтропию Шеннона, для описания той или иной усредненной температуры практически требуется одно и то-же количество знаков. Хотя потребляя и выделяя энергию живые существа могут и не нагревать окружающее пространство.
Но может молекулы – предшественники первой жизни и их усложненные живые последователи возникли и стали развиваться наплевательски относясь к информационной Энтропии?
А как обстоит дело с энтропией эмбриогенеза? Эмбриогенез, сложный процесс, в ходе которого из единственной оплодотворенной яйцеклетки, развивается полностью сформированный организм, так-же представляет собой увлекательное свойство динамики энтропии.
В ходе эмбриогенеза структурная энтропия развивающегося организма уменьшается по мере дифференцировки клеток и организации в сложные ткани и органы. Это увеличение порядка внутри организма, по-видимому, предполагает уменьшение энтропии, что представляет собой очевидный парадокс, когда даже относительно простая зигота выглядит гораздо хитрее, чем кажется. Это явление с точки зрения энтропии тоже выглядит довольно необычно. А ситуация с воображаемой планетой даже не намекает а указывает на то что для жизни нужно что-то еще кроме химии и термодинамики.
Многие ученые, в том числе и физики всё-таки считают жизнь чем-то особенным даже с точки зрения физики.
В своей знаменитой работе «Что такое жизнь?» (1944) физик Эрвин Шредингер использовал понятие «негативной энтропии» для описания способности живых организмов уменьшать беспорядок в своей среде.
Он так-же предположил, что живые организмы могут использовать информацию, закодированную в ДНК, для создания и поддержания порядка, тем самым противодействуя второму закону термодинамики.
Ну хорошо, допустим что ДНК обладает некими дополнительными свойствами. Но кто создал эту ДНК с такими свойствами и вообще живую клетку? Как появилась хотя-бы молекула, которая бросает вызов энтропии, хранит огромные объемы информации, обеспечивает распространение жизни во Вселенной и запутывает ученых уже не одно столетие?