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).