Мигель Николелис
Истинный творец всего. Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем
Хотя другие археологи критикуют теорию и аналогии Митена, мне они кажутся интересными, по крайней мере в качестве отправной точки, помогающей связать познания о деталях анатомической эволюции коры человеческого мозга от момента нашего расхождения с общим предком с шимпанзе со знаниями о функционировании мозга современного человека после этого предполагаемого этапа слияния интеллектов. Митен не указывает никаких нейробиологических механизмов, способных объяснить этот процесс слияния способностей мозга. И это вполне понятно, поскольку большинство умозаключений относительно эволюции человеческого разума основаны исключительно на анализе эндокраниальных слепков, снятых с окаменевших черепов, которые редко доходят до нас целиком, и обычно лишены отдельных частей или вовсе состоят из фрагментов. Это не означает, что окаменелости бесполезны: реконструкции этих черепов позволяют оценить объем мозга всех наших предков, а эндокраниальные слепки часто дают возможность увидеть отпечатки, оставленные мозговой тканью на внутренней поверхности черепа. Все эти данные в сумме позволяют делать аргументированные выводы о форме и объеме разных частей неокортекса. В целом сравнительный анализ слепков показывает, что форма мозга претерпела значительные изменения при переходе от Australopithecus afarensis к Homo habilis, Homo erectus, Homo neanderthalensis и, наконец, к Homo sapiens.
Еще один способ оценить, что происходило в ходе эволюции человеческого мозга, заключается в сравнении его анатомии с анатомией мозга других приматов, таких как макаки-резусы и шимпанзе. Современные шимпанзе тоже эволюционировали с тех пор, как наши виды разошлись 6 миллионов лет назад, однако, хоть мы и не можем считать, что их мозг идентичен мозгу нашего общего предка, это полезный ориентир. Специалисты в области нейроанатомии, интересующиеся эволюцией мозга, проводят сравнения такого рода на протяжении уже многих десятилетий. Успехи в развитии современных методов визуализации мозга позволяют узнать гораздо больше подробностей о том, как происходило невероятное расширение неокортекса мозга человека по сравнению с мозгом наших ближайших родственников.
В целом неокортекс образован двумя основными компонентами – серым и белым веществом. Серое вещество содержит крупные кластеры главных типов клеток, определяющих функцию мозга: это нейроны и поддерживающие их клетки другого типа, называемые глией. Белое же вещество образовано большим количеством пучков нервных волокон. Эти пучки волокон ответственны за обширные связи между разными зонами коры, формирующими четыре доли (лобную, теменную, височную и затылочную[5]) в каждом из полушарий мозга – в левом и в правом. Также они обеспечивают прочную связь между правым и левым полушариями мозга через выросты так называемого мозолистого тела – нейрональной трассы, через которую кора получает и отправляет сообщения к субкортикальным структурам, таким как спинной мозг. Серое и белое вещество неокортекса легкоразличимы. Первое образует шестислойную нейронную структуру. Эти нейроны, принадлежащие собственно неокортексу, располагаются поверх плотного и толстого слоя белого вещества.
Рис. 2.4. Соотношение между серым и белым веществом коры у 59 видов животных. Обратите внимание, что обе оси являются логарифмическими. Zhang K., Sejnowski T. J. A Universal Scaling Law between Gray Matter and White Matter of Cerebral Cortex. PNAS 97, no. 10 (2000): 5621–26.
В конце 1990-х годов нейробиолог из Калифорнийского технологического института (Калтеха) Джон Оллман, который посвятил значительную часть своей научной карьеры изучению важнейших вопросов эволюции мозга млекопитающих, показал нечто, что стало теперь уже классическим открытием в области взаимосвязи между серым и белым веществом мозга. Оллман обнаружил, что график зависимости объема серого вещества коры от объема белого вещества для очень большого числа видов млекопитающих, включая многих приматов и человека, подчиняется строгому степенному соотношению.
Объем белого вещества = (Объем серого вещества)4/3
Показатель степени в этом уравнении (4/3) показывает, что при разрастании коры мозга объем белого вещества увеличивается намного быстрее (рис. 2.4). Если проанализировать аналогичные данные для приматов и попытаться выяснить, что именно изменилось в неокортексе человека и определило наши отличия от родственных нам шимпанзе и макак-резусов, становится ясно, что у человека наиболее значительный рост коры происходил за счет лобной доли, особенно ее самой передней части (непосредственно за лбом), называемой префронтальной корой, а также так называемых ассоциативных кортикальных областей в задней теменной и височной долях коры.
Если говорить о лобной доле, по сравнению с макаками-резусами у людей объем этой ткани увеличился в 30 раз. Интересно, что, как и предсказал Оллман, в наибольшей степени увеличение этой доли произошло за счет значительного разрастания белого вещества. Это привело к невероятному усилению связности между сильно разросшейся префронтальной корой и премоторной и моторной областями лобной доли и другими частями мозга, в том числе другими зонами коры в теменной и височной долях, а также субкортикальными зонами.
Это уникальное увеличение объема белого вещества в лобной доле человеческого мозга, а также сопутствующий рост ассоциативных зон в теменной и височной долях показывают, что гораздо большая часть человеческого неокортекса стала отвечать за концептуальное и абстрактное мышление более высокого уровня, требующееся для реализации развитых когнитивных навыков. Следовательно, не случайно нейробиологи, которые ищут неокортикальные сети, отвечающие за речь, изготовление орудий, четкое осознание самих себя, социальный разум и модель психического состояния – все те атрибуты, которые возникли за последние 4 миллиона лет эволюции гоминидов, – находят их в лобно-теменно-височных участках коры и в связывающих их аксональных путях. Я считаю, что именно такое распределение, скорее всего, породило органический вычислительный субстрат, давший начало Истинному творцу всего.
Учитывая все эти данные, мой вывод достаточно очевиден: для обеспечения эволюции больших и сложных социальных групп со сложным поведением, не говоря уже о культуре, которую мы передавали потомкам на протяжении тысячелетий, нам совершенно явно требовалось больше нейронов. Но несмотря на важность общего объема нейронов, думается, не менее принципиальна была уникальная нейронная сеть мозга, ставшая главной движущей силой возникновения у нашего вида удивительных ментальных способностей.
Оптимально подключенный внутри для гиперконнективности снаружи – кажется, именно таков лозунг эволюционной истории развития нашего мозга.
Но одного лозунга недостаточно ни для того, чтобы объяснить, как все эти человеческие свойства могли объединиться в цельном и подвижном разуме Homo sapiens, ни для того, чтобы найти нейрофизиологический механизм, позволивший нашему разросшемуся неокортексу формировать более крупные и более стабильные социальные группы. В современной нейробиологии первую проблему называют проблемой связывания. На протяжении последних тридцати лет проблема связывания была предметом жарких споров, в особенности среди тех, кто, как известный немецкий нейробиолог Вольф Зингер, изучает систему зрительного восприятия. Дело в том, что классическая теоретическая схема, именуемая моделью Хьюбела и Визеля в честь лауреатов Нобелевской премии Дэвида Хьюбела и Торстена Визеля, чья работа в области зрительного восприятия произвела революцию в нейробиологии в целом и привела к рождению теоретической модели, которая спустя пятьдесят с лишним лет остается центральной догмой в физиологии зрения, не способна дать вменяемый ответ на этот вопрос.
С другой стороны, вторая проблема чрезвычайно важна для понимания того, почему мы, люди, преуспели в построении творческих и сплоченных социальных групп, которые смогли сформировать всю человеческую вселенную. Каким образом неокортекс соединяет свои части в единое непрерывное (или аналоговое) вычислительное устройство и как в конечном итоге она позволяет синхронизировать мозговую активность тысяч, миллионов и даже миллиардов отдельных людей в функциональные мозгосети?
Глава 3
Информация и мозг: немного Шеннона, чуточку Гёделя
Вжаркий влажный день лета 2015 года веселая толпа молодежи заполняла пасторальный променад в деревне Кларанс на швейцарской стороне Женевского озера, двигаясь, казалось, в ритме очередного концерта на открытом воздухе в рамках джазового фестиваля в Монтрё. С удовольствием отобедав в ресторане «Пале Ориенталь», расположенном всего в нескольких сотнях метров, мы с моим лучшим другом швейцарско-египетским математиком и философом Рональдом Сикурелом решили совершить послеобеденную прогулку и проанализировать еще один принципиальный элемент теории, которую мы выстраивали совместными усилиями. Мы шли бок о бок, подбрасывая друг другу идеи и обсуждая одну из наших любимых тем того богатого на события швейцарского лета (а именно – последовательность событий, позволивших жизни возникнуть на Земле несколько миллиардов лет назад, эволюционировать и преуспеть в непрестанном сопротивлении безжалостной и возрастающей во вселенной энтропии), пока вдруг не остановились перед странным деревом (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Рональд Сикурел позирует у знаменитого дерева на берегу Женевского озера в Монтрё, в Швейцарии, после важного теоретического прорыва (фотография любезно предоставлена Мигелем А. Николелисом).
Мы стояли, застыв посреди променада и сосредоточив все свое внимание на этом необычном дереве, и тут мне в голову неожиданно пришла одна идея. «Жизнь есть диссипация энергии с целью записи информации в органическую материю», – вдруг ни с того ни с сего произнес я, а затем повторил эту фразу несколько раз, чтобы точно ее не забыть.
Захваченный врасплох этой мыслью, которая немедленно начала резонировать у него в голове, Рональд вновь повернулся и уставился на дерево, словно ища на нем окончательное подтверждение. После недолгого молчания он широко улыбнулся, хотя и выглядел чуть более взволнованным, чем обычно. Он указал на ближайшую скамейку, приглашая меня присесть, и в конце концов заявил: «Кажется, есть!»
И тогда я понял, что мы наконец поймали нить, которую искали все лето, прогуливаясь по этому променаду каждый день, глядя на озеро, цапель, уток и гусей, раздражая спешащих по своим делам прохожих своей странной привычкой проводить мысленные эксперименты посреди оживленных улиц и в итоге по воле судьбы все же совершив наше судьбоносное знакомство со странным деревом, которое явно не казалось примечательным никому, кроме нас.
В то утро перед нашей обычной ежедневной встречей я по случайности обратил внимание на ветки и листья деревьев, росших по берегам этого швейцарского озера. Вспоминая типичные огромные кроны тропических деревьев Бразилии, которыми я восхищался с самого детства, я хорошо видел теперь, насколько разница в широте влияла на форму листьев деревьев и общую пространственную конфигурацию растений в разных уголках планеты. Я помню, как подумал об удивительном механизме адаптации, придуманном природой для оптимизации биологических солнечных панелей, используемых деревьями для извлечения максимального количества солнечной энергии в зависимости от того, где именно на планете Земля им выдалось пустить корни. Эта мысль заставила меня вспомнить почти забытый урок школьной учительницы ботаники, услышанный мною сорок лет назад. Речь шла о дендрохронологии – одном из увлечений нашей учительницы в 1977 году. Как считала мисс Зульмира, великий Леонардо да Винчи первым заметил, что каждый год на стволах деревьев образуется новое кольцо, ширина которого отражает климатические условия этого сезона (в определенных климатических условиях некоторые деревья могут образовывать за год несколько колец). Вооруженный этими знаниями, американский ученый и изобретатель Александр Твининг предположил, что путем сопоставления рисунка колец большого количества деревьев можно восстановить историю климатических условий в любой точке Земли. Годы с большим количеством влаги приводят к появлению более широких колец, а в засушливые периоды древесина нарастает лишь очень тонкими слоями.
Развивая эту идею, пионер в современной истории вычислительной техники Чарлз Бэббидж предположил, что можно характеризовать возраст геологических слоев и соответствующие климатические условия путем анализа колец, запечатленных в окаменелых деревьях. Хотя Бэббидж предложил этот метод в 1830-х годах, дендрохронология стала активной сферой научных исследований только благодаря трудам и настойчивости американского астронома Эндрю Элликотта Дугласа, который обнаружил корреляцию между древесными кольцами и циклами солнечных пятен, на протяжении тридцати лет измеряя ширину древесных колец от настоящего времени вплоть до 700-х годов нашей эры. Используя эти уникальные биологические записи, археологи смогли точно установить, например, время постройки некоторых сооружений ацтеков в юго-западной части современных Соединенных Штатов. Сегодня дендрохронология позволяет ученым восстанавливать картины вулканической активности, ураганов, оледенений и осадков, происходивших на Земле в прошлом.
Таким образом, древесные кольца достаточно ярко иллюстрируют, каким образом органическая материя может физически заполняться информацией, представляющей подробный отчет о климате, а также о геологических и даже астрофизических событиях, происходивших за время жизни организма.
За исключением воздаяния должного за дендрохронологию мисс Зульмире, я не смог сделать никаких важных выводов из двух, казалось бы, несвязанных наблюдений – изысканной формы листьев деревьев в парке Монтрё и записей о возможных временных событиях в стволах деревьев. Поэтому я занялся рисованием – хобби, к которому я вернулся во время сбора материала для этой книги, – пока до встречи с Рональдом в ресторане «Пале Ориенталь» еще оставалось время.
Через несколько часов, когда мы с Рональдом сидели на скамейке в парке, все эти соображения вновь пришли мне в голову. С той лишь разницей, что теперь я видел четкую логическую и причинную связь между солнечными панелями дерева и отсчитывающими время древесными кольцами. «Точно, Рональд! Солнечная энергия рассредоточивается в виде информации, прописываемой в органическом веществе, формирующем ствол дерева. Вот он, ключ: энергия превращается в физически закрепленную информацию, чтобы достичь максимального локального снижения энтропии, которое необходимо дереву, чтобы прожить следующий день, собрать еще больше энергии, встроить больше информации в свою плоть и продолжать противостоять аннигиляции!»
Летом 2015 года мы с Рональдом с головой окунулись в идею об использовании термодинамики в качестве объединяющей основы для плавного связывания эволюции всей вселенной с теми процессами, которые привели к возникновению и эволюции жизни на Земле. В ходе этих бесед мы достаточно быстро осознали возможные последствия от восприятия жизни и живых организмов в качестве реальных эволюционных экспериментов, нацеленных на поиск оптимального пути для превращения энергии во встроенную информацию в качестве главной стратегии, с помощью которой жизнь хотя бы некоторое время может противостоять ужасу окончательного исчезновения при переходе в состояние, называемое нами смертью.
Хотя за последние сто лет многие авторы обсуждали такие концепции, как энергия, информация и энтропия в приложении к живым организмам, нам казалось, что за время той нашей прогулки нам удалось прийти к чему-то новому. Для начала наше открытие требовало нового определения информации, которое бы точнее отражало основы функционирования живых систем и отличалось от более известной версии термина, предложенной Клодом Шенноном в электротехнике для описания сообщений, передаваемых через зашумленные каналы в искусственных устройствах. Кроме того, тщательно обдумав свою теорию, мы поняли, что выработали в процессе еще одну новую идею, приравняв организмы и даже их клеточные и субклеточные компоненты к новому классу вычислительных устройств – к органическим компьютерам, о которых я уже упоминал в 2013 году в статье, написанной при совершенно иных обстоятельствах.
В отличие от механических, электронных, цифровых или квантовых компьютеров, создаваемых инженерами, органические компьютеры возникают в процессе естественной эволюции. Их главная особенность заключается в том, что для приобретения, обработки и хранения информации они используют свою органическую структуру и законы физики и химии. Это фундаментальное свойство означает, что функционирование органических компьютеров в первую очередь основано на аналоговом вычислении, хотя в некоторых важных случаях встречаются элементы цифрового вычисления. (Аналоговые системы для расчетов используют непрерывные вариации заданных физических параметров, описывающих электрический ток, механическое перемещение или поток жидкости. Простейший пример аналогового вычислительного устройства – логарифмическая линейка. Аналоговые компьютеры использовались повсеместно до появления в конце 1940-х годов цифровой логики и цифровых компьютеров.)
Учитывая, что для нас отправной точкой была термодинамика, с самого начала нашего сотрудничества мы с Рональдом находились под глубоким влиянием работ российско-бельгийского химика и лауреата Нобелевской премии Ильи Пригожина и его построенном на законах термодинамики мировоззрении. В одной из ставших ныне классическими книг, «Порядок из хаоса», написанной в соавторстве с Изабель Стенжерс, Пригожин представляет свою теорию термодинамики сложных химических реакций и непосредственные следствия из своей работы, позволившие ему сформулировать совершенно новое, подробное определение жизни. Теория Пригожина о так называемых самоорганизующихся химических реакциях позволяет понять, как из неживой материи могут возникать живые системы.
Ключевым элементом концепции Пригожина является понятие термодинамического равновесия. Система находится в равновесии, если внутри нее или между ней и окружающей средой не происходит суммарного переноса энергии или вещества. Если по какой-либо причине возникает градиент энергии, создающий участки с более высоким и более низким уровнем энергии, система самопроизвольно перераспределяет избыток энергии с первого участка на второй. Для наглядности представьте себе чайник с водой, оставленный в помещении при комнатной температуре. В таких условиях вода в нем находится в тепловом равновесии, и на макроскопическом уровне никаких изменений не происходит, поскольку вода спокойно остается в жидком состоянии. Но если вы начинаете нагревать воду, чтобы заварить чай, то по мере повышения температуры и ее приближения к точке кипения вода все больше и больше удаляется от жидкого равновесного состояния, пока не претерпевает фазовый переход и не превращается в водяной пар.
По мнению Пригожина, все организмы – от бактерий до деревьев и людей – представляют собой открытые системы, которые выживают только благодаря поддержанию себя в максимально далеком от равновесия состоянии. Это означает, что для жизни необходим постоянный обмен энергией, материей и информацией внутри самого организма и между ним и его окружением, что позволяет поддерживать химический и тепловой градиенты в клетках, в организмах в целом и между организмами и окружающей средой. И эта борьба длится на протяжении всей жизни организма. Нарушение этого удаленного от равновесия состояния неизбежно приводит организм к смерти и распаду.
С явлением диссипации, то есть рассеивания энергии, мы сталкиваемся каждый день. Например, когда мы поворачиваем ключ зажигания в машине – двигатель начинает работать, и часть энергии, образующейся при сгорании бензина, затрачивается на перемещение автомобиля, но значительное ее количество рассеивается в форме тепла, которое уже не используется для полезного действия. Это и есть диссипация: преобразование одной формы энергии, которая может совершать большее количество работы, в энергию, которая может совершать меньшее количество работы. Возникающие в природе крупные структуры также являются результатом процессов, происходящих с диссипацией большого количества энергии. Хороший пример – ураганы. Гигантские закрученные белесые пятна на спутниковых снимках – результат процесса самоорганизации с участием облаков и ветра; они образуются за счет диссипации большого количества энергии в виде гигантских масс горячего и влажного воздуха, формирующегося в районе экватора и поднимающегося от поверхности океана на большую высоту. Поднимаясь все выше и выше в атмосфере, он оставляет позади себя зоны пониженного давления, которые вскоре заполняются более холодным воздухом из соседних зон высокого давления. Этот воздух нагревается, увлажняется и поднимается вверх. При достижении больших высот с более низкой температурой водяные пары из воздуха конденсируют и образуют облака, которые вращаются под влиянием сильных ветров, возникающих из-за быстрой циркуляции горячего и холодного воздуха. Наблюдаемая нами структура урагана и его перемещение – результат самоорганизующегося процесса диссипации энергии, являющегося следствием этого погодного механизма, который в самых экстремальных случаях может быть сравним с мощнейшей климатической бомбой.
Пригожин и его коллеги обнаружили, что в лабораторных чашках Петри могут происходить химические реакции, приводящие к возникновению самоорганизующихся структур, чем-то напоминающих структуру урагана. Например, изменяя количество определенных реагентов, внешние условия (например, температуру) или вводя катализатор, можно добиться появления неожиданных ритмичных осцилляций в образовании продуктов реакции. Такие явления получили название химических часов. Ученые также обнаружили сложные пространственные структуры, в том числе сегрегацию различных типов молекул в разных частях реакционного сосуда. Короче говоря, случайные столкновения реагирующих веществ могут приводить к возникновению упорядоченности за счет рассредоточения энергии в системе.
На основании этих наблюдений Пригожин сформулировал две основные концепции. Первая описывает некий момент, когда добавление небольшого количества реагента или небольшое изменение температуры может принципиальным образом изменить течение химической реакции во времени и (или) пространстве. Интересно, что в конце XIX века французский математик Анри Пуанкаре столкнулся с этим же явлением в математике при анализе нелинейных дифференциальных уравнений: существует определенная точка, после которой становится невозможно с точностью предсказать поведение функции; начиная с этого момента система начинает вести себя хаотическим образом, и все численные результаты уравнения описывают математическую макроструктуру, называемую странным аттрактором. Вторая принципиальная концепция называется концепцией синхронизации. Она гласит, что при некоторых условиях, далеких от состояния равновесия, молекулы реагирующих веществ как бы «переговариваются» друг с другом, в результате чего в процессе самоорганизации могут возникать сложные временные или пространственные картины. Обе концепции играют важнейшую роль в определении индивидуального мозга и сетей синхронизированных мозгов (мозгосетей) в качестве органических компьютеров (см. главу 7).
В таком контексте переход от химических реакций к теории функционирования живых организмов требует лишь одного логического шага, и Пригожин сделал его с большим удовольствием. Чтобы понять, как именно, давайте вернемся к нашему швейцарскому дереву в Монтрё на променаде у озера и свяжем теорию Пригожина с нашими идеями.
Это дерево давным-давно пустило глубокие корни на берегу Женевского озера, используя свои многочисленные биологические солнечные панели для поглощения солнечного света и извлекая углекислый газ из окружающей среды. Оно получает энергию из солнечного света благодаря наличию в хлоропластах клеток листьев светопоглощающего пигмента – хлорофилла. Используя солнечный свет, углекислый газ и воду, хлоропласты осуществляют фотосинтез. Благодаря этому процессу растения способны направлять некоторое количество энергии солнечного света на поддержание и укрепление неравновесного состояния, существовавшего в семечке, из которого выросло растение, за счет добавления и поддержания слоев органической ткани в своей структуре.
Растения поглощают солнечный свет, животные поедают растения, а мы поедаем и тех и других. В целом жизнь сводится к поеданию того, что дает нам солнце; одни берут его свет сразу, а другие получают свою долю из вторых рук. Наш с Рональдом вклад в развитие этой идеи заключается в формулировании теории о том, что диссипативная структура (в данном случае дерево) претерпевает самоорганизацию – оно использует преимущества данного процесса для физического встраивания информации в образующую его органическую материю. Например, по мере роста дерева информация о климате, наличии воды, динамике солнечных пятен и многих других параметрах встраивается в круги, которые дерево каждый год добавляет к своей трехмерной структуре. В этом смысле дерево осуществляет все базовые операции, которые требуются от органического компьютера в соответствии с нашим критерием. И хотя у самого дерева нет прямого доступа к «памяти», сконцентрированной в виде кругов, внешние наблюдатели вроде нас могут до нее добраться[6].
В более формальном виде мы с Рональдом определили следующее:
В открытой живой системе диссипация энергии позволяет информации физическим образом встраиваться в органическую материю.
Мы полагаем, что этот процесс не идентичен в разных формах жизни. Мы только что обратили внимание на то, что заключенная в древесных кольцах информация не может (насколько я могу судить) быть извлечена самим растением. Иными словами, само растение не имеет доступа к информации, требующейся, чтобы рассчитать, скажем, количество пятен на Солнце в предыдущем сезоне. Однако животные, обладающие мозгом, не только постоянно обращаются ко встроенной в их нервную ткань информации, но и используют ее как руководство для действий и поведения в будущем. В таком случае процесс превращения энергии в информацию лежит в основе важнейшего феномена, называемого обучением, и отвечает за накопление воспоминаний в головном мозге животного. Более того, поскольку в головном мозге этот процесс встраивания информации происходит напрямую через модификацию нервной ткани (т. е. через физическое изменение морфологических характеристик синапсов между двумя нейронами), можно сказать, что эта информация обладает «причинной эффективностью» в отношении нервной системы. Это означает, что процесс записи информации изменяет физическую конфигурацию (и, следовательно, функциональные параметры) сетей нейронов[7]. В этом заключается основа мощнейшего нейрофизиологического свойства, называемого нейропластичностью (см. главу 4).
Записывание информации в головной мозг животного – это очень большой шаг вперед по сравнению с годичными кольцами деревьев. Но еще более впечатляющие результаты показывает человеческий мозг. В нем диссипация энергии отвечает не только за постоянное накопление воспоминаний в результате удивительного и уникального процесса, происходящего на протяжении длительного периода времени или даже всей жизни организма, за обучение и пластичность, но также за появление гораздо более ценного и редкого продукта – знания.
Энергия превращается в знания!
На мой взгляд, это можно считать кульминацией, самым революционным результатом термодинамического описания жизни.
На данном этапе необходимо описать одно очень важное термодинамическое понятие – энтропию. Энтропию можно определить множеством способов. Как вариант, можно представить ее в качестве меры разупорядочения молекул или случайного распределения в конкретной макроскопической системе. Иначе энтропия описывается как число микросостояний, которые конкретная система, например газ, способна принимать, не меняя макроскопического поведения. Представьте себе, что входите в огромный пустой танцевальный зал в отеле с одним маленьким, наполненным гелием воздушным шариком в руках, как на день рождения. Поскольку шар имеет маленький объем, молекулы гелия плотно прижаты друг к другу и имеют сравнительно низкий уровень разупорядочения, поскольку не могут удалиться на большое расстояние из-за ограниченного объема шара. Аналогичным образом количество микросостояний тоже сравнительно невелико: хотя каждый атом гелия может меняться местами с другими атомами, не приводя к смене макросостояния наполненного гелием шарика, их передвижения все же ограничены шаром, и они не могут занять другое положение в танцевальном зале. Какое бы определение вы ни использовали, в данном случае гелий находится в состоянии с низким уровнем энтропии. Но вот вы доходите до центра зала и решаете проткнуть шарик и выпустить гелий. Теперь гелий, который изначально был сжат в ограниченном пространстве (соответствующем объему шара), распространяется по всему залу гораздо большего объема, что значительно повышает степень разупорядочения молекул и неопределенность точной локализации каждой молекулы гелия. Эта неопределенность характеризует состояние с высоким уровнем энтропии.
Знаменитый австрийский физик Людвиг Больцман, один из создателей термодинамики, первым нашел способ описать это понятие на количественном уровне, создав статистическую формулу для энтропии природных веществ, таких как газы. Его формула выглядит так:
E = k × log n,
где E – энтропия, k – постоянная Больцмана, а n – общее число микросостояний системы.
Как следует из первой формулировки второго закона термодинамики, предложенной Уильямом Томпсоном в 1852 году, общая энтропия замкнутой изолированной системы со временем увеличивается. Этот закон применим ко всей вселенной, однако он не учитывает возникновения «локальных очагов сопротивления» со стороны живых организмов, которые оттягивают момент окончательного распада и рассредоточения. Эта партизанская война живых организмов хорошо отражена в работе другого знаменитого австрийца – лауреата Нобелевской премии физика Эрвина Шрёдингера, одного из титанов квантовой физики, который в книге «Что такое жизнь?» высказал предположение, что жизнь – это бесконечная борьба за создание и сохранение островков с пониженной энтропией, которые мы называем организмами. Как он писал, «существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив»[8].