Информационная
основа жизни
Потребность жизни в веществе
и энергии навеяна, скорее всего, энергетическим кризисом, строго говоря,
явлением искусственным. Искусственным потому, что аппетиты «общества потребления»
росли быстрее, чем «добыча» энергии. Но это именно аппетиты, а отнюдь не
реальная потребность. В самом деле, зачем для перемещения из точки А в
точку Б по эквипотенциальной поверхности одного человека прятать под капот
автомобиля табун в несколько сотен лошадей? Причём перемещать зачастую
со скоростью пешехода. Зачем сжигать в висящем неподвижно вертолёте сотни
килограмм бензина? Ведь существуют дирижабли!..
Список таких
«зачем» легко продолжить примерами из любой области человеческой деятельности.
Современная энерговооружённость человечества, как минимум, на порядок превышает
его реальные, осмысленные потребности. А вот удовлетворять запросы, опирающиеся
только на стремление показать себя, можно до бесконечности, для этого даже
квазаров мало. Вот только нужно ли это? Тем более роботам.
Избыток энергии «противопоказан»
жизни (в том числе и «машинной»), так как высокоэнергичные процессы
слишком нестабильны, жизнь же для своего развития требует, по меньшей мере,
квазистабильности. Протуберанец богат и веществом, и энергией, но вряд
ли удобен для жизни кого бы то ни было, робота в том числе. Так, шахтёры
много времени работают в шахтах, где добывают и вещество, и энергию, но
ни сами шахтёры, ни их семьи в шахтах не живут. «Добывать вещество и энергию»,
конечно, нужно, но без излишеств, повышая энтропию лишь в меру необходимости.
Ведь «борьба с энтропией» считается
одним из привычных атрибутов жизни, самым же «выдающимся борцом»
с ней уже почти полтораста лет признаётся хорошо известный в термодинамике
«демон Максвелла». Напомним, о чём идёт речь. Демон Максвелла – главный
персонаж мысленного эксперимента Джеймса Максвелла (1867 год) – гипотетическое
разумное существо микроскопического размера, придуманное им для этого мысленного
эксперимента.
Эксперимент состоит в следующем:
предположим, сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части.
В перегородке отверстие, охраняемое «демоном», который позволяет улетать
из своей части сосуда только быстрым (горячим) молекулам газа, а влетать
– только медленным (холодным) молекулам, тем самым охлаждая «свою» и нагревая
«чужую» часть сосуда.
«Демон Максвелла»
Оказывается, природа за
несколько миллиардов лет до рождения Максвелла не только «выдумала» этого
виртуального демона, но все эти миллиарды лет его совершенствовала и, в
конце концов, даже материализовала (в живых системах) и широко применяет
этих демонов в удобных случаях.
«Демон кристаллизации»
Один из таких удобных случаев
– кристаллизация из раствора, при которой растворённое вещество переходит
в твёрдое состояние. Именно здесь работает природный виртуальный «демон
Максвелла». Действительно, низко-скоростные молекулы встраиваются в кристалл,
а высокоскоростные остаются в растворе. Чем не демон? И ведь раствор подогревается
теплотой кристаллизации!
Но в растворах
возможны и другие процессы, прежде всего, это полимеризация (иногда поликонденсация),
частным случаем которых и является жизнь. Вот в этом последнем процессе
– биосинтезе – природа применяет «материализованных демонов» в виде «полимераз»
(для синтеза нуклеиновых кислот) и транспортных РНК (т-РНК) для синтеза
белков.
В самом деле, молекулы т-РНК
«бегают» по раствору в поисках нужной молекулы, «перетаскивают» в нужное
место и встраивают её в растущую макромолекулу в строгом соответствии с
алгоритмом, записанном на матрице (РНК или ДНК).
«Демоны биосинтеза»
Демон здесь не столько энергетический,
сколько информационный, ибо энергия уже не играет главной роли. Ведь т-РНК,
соединившись с соответствующей аминокислотой, выстраиваются по порядку,
определяемому матричной РНК. Энергообмен, конечно, присутствует, но не
он определяет последовательность аминокислот в синтезируемой макромолекуле,
а, следовательно, и свойства белка.
Совсем
недавно и люди научились создавать «материализованных демонов Максвелла»
(хотя и с опозданием на пару миллиардов лет по сравнению с природой, к
тому же очень увесистых). 27 сентября 2010 года группа японских исследователей
под руководством С. Тоябэ (Shoichi Toyabe), опубликовала результаты
интересного эксперимента, который служит доказательством практической возможности
превращения информации в энергию по принципу гипотетической машины Сциларда.
В
эксперименте использовались два шарика из полистирола диаметром 0,3 мкм
(300 нм). Один из них закрепили на стеклянной поверхности, а второй был
расположен так, что мог свободно вращаться вокруг первого. Всю систему
погрузили в жидкость. В результате хаотического движения молекул жидкости
система с равной частотой поворачивалась и по, и против часовой стрелки
(из-за маленьких размеров шарик успешно «чувствовал» флуктуации жидкости).
Затем к жидкости приложили дополнительное электрическое поле, которое сообщало
системе шариков вращательный момент. Картина вращения системы изменилась.
Хотя в некоторых случаях энергия хаотического движения частиц жидкости
была достаточной, чтобы повернуть шарик против направления действия электрического
поля, всё-таки чаще система следовала вращательному моменту, сообщаемому
ей полем.
Далее
на «сцене» появился сам «демон» в виде микровидеокамеры и компьютера, управляющего
электрическим полем. Камера контролировала вращение системы: как только
системе удавалось самостоятельно противостоять приложенному электрическому
полю, «демон» в компьютере менял его режим, слегка «подталкивая» систему
в нужном направлении. Дальше она снова следовала ему сама, используя только
силы броуновского движения.
Таким
образом вращающаяся система производила механическую энергию. Производимая
системой энергия больше, чем энергия электрического поля, приложенного
к системе. Оказалось, что при комнатной температуре один бит информации
способен создать энергию в 3x10-21
Дж.
«Мы
показали соотношение информации и энергии, получаемое при работе «демона»,
и подтвердили фундаментальный принцип его работы»,
– сказал С. Тоябэ.
На
самом деле они показали гораздо больше,
– важность информационной
компоненты в естественных процессах, в том числе, в возникновении и развитии
жизни – «не хлебом единым жив человек!».