Введение в ксенобиологию, часть первая, начало
В свете дискуссии с darkhon'ом - первая часть Марлезонского балета; вторая часть Марлезонского балета один добрый человек прислал ссылку на свою статью.
Постараюсь привести её как есть с максимальным сохранением авторского форматирования.
ВВЕДЕНИЕ В КСЕНОБИОЛОГИЮ
Когда наш мир на треть был меньше,
На треть синей и горячей,
Погасших звёзд алмазный пепел
Расцвёл в тепле чужих лучей.
Виктор Аргонов, техноопера «Русалочка»
Вместо предисловия
Всякий, собирающийся написать книгу, или же разрабатывающий сюжет к игре в жанре строгой научной фантастики и при этом имеющий намерение описать «экзотические» формы жизни, т.е. фундаментально отличающиеся по своей химической архитектуре либо вообще основанные на каких-либо иных формах материи или даже самих принципах организации сложных систем встают перед пугающей бездной почти полной неопределенности: ведь жизнь известна нам пока только в одной форме, а по одной точке адекватный график построить невозможно. И, тем не менее, некоторые общие свойства нашей Вселенной, изучаемые как естественными термодинамикой, ядерной физикой и химией, так и «сверхъестественной» математикой, да и просто закономерности развития известной нам жизни налагают весьма существенные ограничения на многие наши фантазии. И по этим ограничениям можно попытаться хотя бы в самых общих чертах построить «коридор пока незапрещенных вариантов». Тогда на него могли бы ориентироваться те, кто в своем творчестве не хотел бы совершенно отрываться от физической реальности. Этим творцам прежде всего и предназначается наша работа.
Если составить перечень наиболее фундаментальных вопросов, стоящих перед человеческой цивилизацией, то проблема происхождения и единственности или, наоборот, неединственности жизни в нашей вселенной всегда будет в числе первых трёх, которые обозначил в заглавии своей известнейшей книги ещё И.Шкловский - «Вселенная, жизнь, разум». Значение того, каким будет ответ на вопрос «Одиноки ли мы во вселенной?» в истории цивилизации исчерпывающе передано, например, А.и Б. Стругацкими в самом начале «Сталкера»:
"Сам факт Посещения является наиболее важным открытием не только за истекшие тринадцать лет, но и за все время существования человечества. Не так уж важно, кто были эти пришельцы. Неважно, откуда они прибыли, зачем прибыли, почему так недолго пробыли и куда девались потом. Важно то, что теперь человечество твердо знает: оно не одиноко во Вселенной. Боюсь, что институту внеземных культур уже никогда больше не повезет сделать более фундаментальное открытие."
Разумеется, обнаружение жизни разумной (о которой идет речь и в приведенной цитате) будет иметь ничуть не меньшее значение, но какой бы вопрос мы не поставили: возможен ли (и насколько) во вселенной иной разум или иная жизнь, сразу встает вопрос: «А что именно мы понимаем под этими словами?» Но при ближайшем рассмотрении практически любого природного явления оно неизбежно распадается на более простые элементы и нам придется решать: какие из них мы должны считать ключевыми?
И рассматриваемых явлений, как наиболее сложных из известных нам, это касается, пожалуй, в наибольшей степени. Особенно плохо обстоит дело с «разумом», где разнообразие «ключевых свойств» простирается от способностей к решению логических задач и созданию орудий до уровня социальных взаимодействий и языка.
Задача определения критериев «жизни вообще», о которой и пойдет речь далее, кажется куда более простой. В целом это, конечно, так и есть, но распада нашего интуитивного понятия при его формализации на составляющие избежать не удается и здесь. Более того: при погружении в биологию уже чуть глубже среднешкольного уровня становится ясно - насколько разным по уровню сложности бывает то, что мы можем называть живым. И ещё: совсем не факт, что однажды появившись, любая жизнь способна эволюционировать до тех сложных форм, что мы повсюду наблюдаем на нашей планете, даже если условия благоприятны.
Таким образом, надо понимать, что вполне возможна ситуация, когда даже если мы и найдем однажды иные организмы на других небесных телах и даже неоднократно, любой неспециалист, прочитав исчерпывающие отчеты обо всех этих открытиях, может воскликнуть: «Да разве-ж это жизнь?!»,- несмотря на то, что по всем нашим фундаментальным критериям мы должны будем признать их живыми.
Со времен наиболее известных первопроходцев тут - Шредингера и Шкловского, Опарина и Холдейна - утекло немало времени и в этой части картины мира многое обрело существенно иной вид. Поэтому нам придется посмотреть на то как феномен жизни выглядит теперь в свете новейших достижений самых разных отраслей естественных наук.
Хотя проблема абиогенеза (происхождения жизни) в настоящее время в мире изучается очень активно и продуктивно, по-настоящему широких и подробных обзорных работ по этой теме в широкой русскоязычной печати исчезающе мало: это главным образом популярные статьи Александра Маркова и Михаила Никитина, недавно переведённая книга Евгения Кунина «Логика Случая» и изданная несколько лет назад книга Кирилла Еськова «История Земли и жизни на ней», на которых по большей части и основана эта работа.
0. Математика биологии
Итак, если мы собираемся заниматься ксенобиологией, т.е. искать жизнь-какой-бы-она-ни-была, то нам прежде всего нужно определить - что же собственно такое в нашем понимании «жизнь». Причём, по возможности, максимально формализованно. Начать погружение в аксиоматику биологии пожалуй следует с известнейшего высказывания одного из основателей синтетической теории эволюции - Ф.Добжанского: «Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции». Причём эволюции в основе своей дарвиновской. Что это значит? Это значит дифференциальное выживание наиболее приспособленных (к конкретным условиям) вариантов.
Запуск такой системы в астрономическом масштабе возможен только при соблюдении следующих условий:
1) Способность к принципиально неограниченной серии достаточно точных самокопирований - поскольку ни одна сложная (точнее - низкоэнтропийная) машина не может оставаться работоспособной, ни одна физическая копия машинной информации в количестве хотя бы нескольких килобайт на может сохраняться неизменной миллиарды лет.
2) Копирование не должно быть совершенно точным - иначе не будет материала для отбора и при любом серьезном изменении условий среды не будет ресурса для адаптации.
Как следствие - система исходно должна иметь некий, причём не особо малый «запас свободы» вариантов себя, не нарушающих п.1 - способность к принципиально неограниченной серии самокопирований (т.е. быть полноценным автоматом фон Неймана ).
Какими фундаментальными свойствами должны обладать архитектуры, в которых выполняются оба этих условия настолько хорошо, что они способны сохраняться миллиарды лет? Должны ли они содержать информацию о своей структуре обязательно в дискретном("цифровом") виде или возможны аналоговые варианты? Евгений Кунин в своей книге «Логика Случая» ставил этот вопрос, но пока не давал на него ответа. Особенно ситуацию усложнило открытие «аналоговой» эволюции прионов. Однако этот единственный известный аналоговый случай крайне ограничен в диапазоне вариантов и возможен только на базе уже существующих живых систем, которые эти белки производят. А также существуют общие соображения, основанные на принципиально большей надежности цифровых систем передачи информации.
И, как оказалось, уже довольно давно вышел краткий обзор математического обоснования фундаментальной биологии от Сергея Вакуленко, где он очень убедительно (разумеется с формулами) показывает, что достаточная надежность и в то же время скорость адаптаций возможна только на базе дискретной информации (см. стр. 33-36).
А это значит, что настоящие живые организмы могут существовать только в виде конечных автоматов и, похоже, только Тьюринг-полных. И размножающихся по принципу матричного самокопирования.
Что из этого следует для ксенобиологии? А вот что: если мы абстрагируемся от материальной природы живой системы и от того, будет ли она проявлять свою активность когда мы её изучаем, то мы должны искать любые высоконерегулярные последовательности конечного числа элементарных блоков, но встречающиеся хотя бы в нескольких копиях и вариантах. Будет ли она одномерной (как белки и нуклеиновые кислоты) или двухмерной (как QR-код) или ещё какой топологии - пока точно определить мы не можем.
1. Физика биологии
Какие свойства характерны для живых систем с т.з. физики - известно уже давно, начиная со Шредингера и заканчивая Пригожиным. Это прежде всего способность поддерживать термодинамическое НЕравновесие (метастабильность, гомеостаз) с окружающей средой, активно выкачивая из неё свободную энергию, ускоряя её энтропийное рассеивание (диссипация).
Согласно пригожинской неравновесной термодинамике , такие системы могут (но должны ли?) появляться путем самоорганизации только там, где есть достаточный (очень большой) запас свободной энергии (градиент). И с этой точки зрения первое, на что следует смотреть - это не планеты, а звезды. Возможна ли плазменная жизнь в недрах каждой звезды - вопрос открытый, особенно с учетом того, что и у плазмы есть возможность формировать интересные метастабильные структуры (но есть ли для этого условия где-либо в реальной вселенной - неизвестно). Тут как раз может пригодиться общий подход, выведенный в конце предыдущей части: если будут обнаружены нерегулярные последовательности элементов/состояний в таких метастабильных структурах и при этом они будут слишком маловероятными для одномоментного самовозникновения, но будут выявлены хотя бы в нескольких копиях, причем более одной точной разновидности - то плазмоиды можно считать живыми.
Продолжение
Окончание
Постараюсь привести её как есть с максимальным сохранением авторского форматирования.
ВВЕДЕНИЕ В КСЕНОБИОЛОГИЮ
Когда наш мир на треть был меньше,
На треть синей и горячей,
Погасших звёзд алмазный пепел
Расцвёл в тепле чужих лучей.
Виктор Аргонов, техноопера «Русалочка»
Вместо предисловия
Всякий, собирающийся написать книгу, или же разрабатывающий сюжет к игре в жанре строгой научной фантастики и при этом имеющий намерение описать «экзотические» формы жизни, т.е. фундаментально отличающиеся по своей химической архитектуре либо вообще основанные на каких-либо иных формах материи или даже самих принципах организации сложных систем встают перед пугающей бездной почти полной неопределенности: ведь жизнь известна нам пока только в одной форме, а по одной точке адекватный график построить невозможно. И, тем не менее, некоторые общие свойства нашей Вселенной, изучаемые как естественными термодинамикой, ядерной физикой и химией, так и «сверхъестественной» математикой, да и просто закономерности развития известной нам жизни налагают весьма существенные ограничения на многие наши фантазии. И по этим ограничениям можно попытаться хотя бы в самых общих чертах построить «коридор пока незапрещенных вариантов». Тогда на него могли бы ориентироваться те, кто в своем творчестве не хотел бы совершенно отрываться от физической реальности. Этим творцам прежде всего и предназначается наша работа.
Если составить перечень наиболее фундаментальных вопросов, стоящих перед человеческой цивилизацией, то проблема происхождения и единственности или, наоборот, неединственности жизни в нашей вселенной всегда будет в числе первых трёх, которые обозначил в заглавии своей известнейшей книги ещё И.Шкловский - «Вселенная, жизнь, разум». Значение того, каким будет ответ на вопрос «Одиноки ли мы во вселенной?» в истории цивилизации исчерпывающе передано, например, А.и Б. Стругацкими в самом начале «Сталкера»:
"Сам факт Посещения является наиболее важным открытием не только за истекшие тринадцать лет, но и за все время существования человечества. Не так уж важно, кто были эти пришельцы. Неважно, откуда они прибыли, зачем прибыли, почему так недолго пробыли и куда девались потом. Важно то, что теперь человечество твердо знает: оно не одиноко во Вселенной. Боюсь, что институту внеземных культур уже никогда больше не повезет сделать более фундаментальное открытие."
Разумеется, обнаружение жизни разумной (о которой идет речь и в приведенной цитате) будет иметь ничуть не меньшее значение, но какой бы вопрос мы не поставили: возможен ли (и насколько) во вселенной иной разум или иная жизнь, сразу встает вопрос: «А что именно мы понимаем под этими словами?» Но при ближайшем рассмотрении практически любого природного явления оно неизбежно распадается на более простые элементы и нам придется решать: какие из них мы должны считать ключевыми?
И рассматриваемых явлений, как наиболее сложных из известных нам, это касается, пожалуй, в наибольшей степени. Особенно плохо обстоит дело с «разумом», где разнообразие «ключевых свойств» простирается от способностей к решению логических задач и созданию орудий до уровня социальных взаимодействий и языка.
Задача определения критериев «жизни вообще», о которой и пойдет речь далее, кажется куда более простой. В целом это, конечно, так и есть, но распада нашего интуитивного понятия при его формализации на составляющие избежать не удается и здесь. Более того: при погружении в биологию уже чуть глубже среднешкольного уровня становится ясно - насколько разным по уровню сложности бывает то, что мы можем называть живым. И ещё: совсем не факт, что однажды появившись, любая жизнь способна эволюционировать до тех сложных форм, что мы повсюду наблюдаем на нашей планете, даже если условия благоприятны.
Таким образом, надо понимать, что вполне возможна ситуация, когда даже если мы и найдем однажды иные организмы на других небесных телах и даже неоднократно, любой неспециалист, прочитав исчерпывающие отчеты обо всех этих открытиях, может воскликнуть: «Да разве-ж это жизнь?!»,- несмотря на то, что по всем нашим фундаментальным критериям мы должны будем признать их живыми.
Со времен наиболее известных первопроходцев тут - Шредингера и Шкловского, Опарина и Холдейна - утекло немало времени и в этой части картины мира многое обрело существенно иной вид. Поэтому нам придется посмотреть на то как феномен жизни выглядит теперь в свете новейших достижений самых разных отраслей естественных наук.
Хотя проблема абиогенеза (происхождения жизни) в настоящее время в мире изучается очень активно и продуктивно, по-настоящему широких и подробных обзорных работ по этой теме в широкой русскоязычной печати исчезающе мало: это главным образом популярные статьи Александра Маркова и Михаила Никитина, недавно переведённая книга Евгения Кунина «Логика Случая» и изданная несколько лет назад книга Кирилла Еськова «История Земли и жизни на ней», на которых по большей части и основана эта работа.
0. Математика биологии
Итак, если мы собираемся заниматься ксенобиологией, т.е. искать жизнь-какой-бы-она-ни-была, то нам прежде всего нужно определить - что же собственно такое в нашем понимании «жизнь». Причём, по возможности, максимально формализованно. Начать погружение в аксиоматику биологии пожалуй следует с известнейшего высказывания одного из основателей синтетической теории эволюции - Ф.Добжанского: «Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции». Причём эволюции в основе своей дарвиновской. Что это значит? Это значит дифференциальное выживание наиболее приспособленных (к конкретным условиям) вариантов.
Запуск такой системы в астрономическом масштабе возможен только при соблюдении следующих условий:
1) Способность к принципиально неограниченной серии достаточно точных самокопирований - поскольку ни одна сложная (точнее - низкоэнтропийная) машина не может оставаться работоспособной, ни одна физическая копия машинной информации в количестве хотя бы нескольких килобайт на может сохраняться неизменной миллиарды лет.
2) Копирование не должно быть совершенно точным - иначе не будет материала для отбора и при любом серьезном изменении условий среды не будет ресурса для адаптации.
Как следствие - система исходно должна иметь некий, причём не особо малый «запас свободы» вариантов себя, не нарушающих п.1 - способность к принципиально неограниченной серии самокопирований (т.е. быть полноценным автоматом фон Неймана ).
Какими фундаментальными свойствами должны обладать архитектуры, в которых выполняются оба этих условия настолько хорошо, что они способны сохраняться миллиарды лет? Должны ли они содержать информацию о своей структуре обязательно в дискретном("цифровом") виде или возможны аналоговые варианты? Евгений Кунин в своей книге «Логика Случая» ставил этот вопрос, но пока не давал на него ответа. Особенно ситуацию усложнило открытие «аналоговой» эволюции прионов. Однако этот единственный известный аналоговый случай крайне ограничен в диапазоне вариантов и возможен только на базе уже существующих живых систем, которые эти белки производят. А также существуют общие соображения, основанные на принципиально большей надежности цифровых систем передачи информации.
И, как оказалось, уже довольно давно вышел краткий обзор математического обоснования фундаментальной биологии от Сергея Вакуленко, где он очень убедительно (разумеется с формулами) показывает, что достаточная надежность и в то же время скорость адаптаций возможна только на базе дискретной информации (см. стр. 33-36).
А это значит, что настоящие живые организмы могут существовать только в виде конечных автоматов и, похоже, только Тьюринг-полных. И размножающихся по принципу матричного самокопирования.
Что из этого следует для ксенобиологии? А вот что: если мы абстрагируемся от материальной природы живой системы и от того, будет ли она проявлять свою активность когда мы её изучаем, то мы должны искать любые высоконерегулярные последовательности конечного числа элементарных блоков, но встречающиеся хотя бы в нескольких копиях и вариантах. Будет ли она одномерной (как белки и нуклеиновые кислоты) или двухмерной (как QR-код) или ещё какой топологии - пока точно определить мы не можем.
1. Физика биологии
Какие свойства характерны для живых систем с т.з. физики - известно уже давно, начиная со Шредингера и заканчивая Пригожиным. Это прежде всего способность поддерживать термодинамическое НЕравновесие (метастабильность, гомеостаз) с окружающей средой, активно выкачивая из неё свободную энергию, ускоряя её энтропийное рассеивание (диссипация).
Согласно пригожинской неравновесной термодинамике , такие системы могут (но должны ли?) появляться путем самоорганизации только там, где есть достаточный (очень большой) запас свободной энергии (градиент). И с этой точки зрения первое, на что следует смотреть - это не планеты, а звезды. Возможна ли плазменная жизнь в недрах каждой звезды - вопрос открытый, особенно с учетом того, что и у плазмы есть возможность формировать интересные метастабильные структуры (но есть ли для этого условия где-либо в реальной вселенной - неизвестно). Тут как раз может пригодиться общий подход, выведенный в конце предыдущей части: если будут обнаружены нерегулярные последовательности элементов/состояний в таких метастабильных структурах и при этом они будут слишком маловероятными для одномоментного самовозникновения, но будут выявлены хотя бы в нескольких копиях, причем более одной точной разновидности - то плазмоиды можно считать живыми.
Продолжение
Окончание