Новое предположение о том, что сложность увеличивается со временем, причем не только в живых организмах, но и в неживом мире, обещает переосмыслить представления о времени и эволюции.
Иллюстрация: Ирен Перес для журнала Quanta MagazineСохранить Сохранить
Оригинальная версия этой истории была опубликована в журнале Quanta Magazine.
В 1950 году итальянский физик Энрико Ферми обсуждал с коллегами возможность разумной инопланетной жизни. Если инопланетные цивилизации существуют, сказал он, некоторые из них наверняка должны были иметь достаточно времени, чтобы распространиться по всему космосу. Так где же они?
Было предложено много ответов на «парадокс» Ферми: возможно, инопланетные цивилизации сгорают или уничтожают себя до того, как становятся межзвездными странниками. Но, возможно, самый простой ответ заключается в том, что такие цивилизации не появляются изначально: разумная жизнь крайне маловероятна, и мы задаем этот вопрос только потому, что мы являемся крайне редким исключением.
Новое предложение междисциплинарной группы исследователей бросает вызов этому мрачному выводу. Они предложили не что иное, как новый закон природы, согласно которому сложность сущностей во вселенной увеличивается со временем с неумолимостью, сравнимой со вторым законом термодинамики — законом, который предписывает неизбежный рост энтропии, меры беспорядка. Если они правы, сложная и разумная жизнь должна быть широко распространена.
В этом новом взгляде биологическая эволюция не выглядит как уникальный процесс, который дал начало качественно отличной форме материи — живым организмам. Вместо этого эволюция является особым (и, возможно, неизбежным) случаем более общего принципа, который управляет вселенной. Согласно этому принципу, сущности выбираются, потому что они богаче своего рода информацией, которая позволяет им выполнять какую-то функцию.
Эта гипотеза, сформулированная минералогом Робертом Хазеном и астробиологом Майклом Вонгом из Института Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, вместе с группой других, вызвала интенсивные дебаты. Некоторые исследователи приветствовали эту идею как часть грандиозного повествования о фундаментальных законах природы. Они утверждают, что основные законы физики не являются «полными» в том смысле, что они не предоставляют нам все необходимое для понимания природных явлений; скорее, эволюция — биологическая или иная — вводит функции и новшества, которые даже в принципе не могли быть предсказаны только на основе физики. «Я так рад, что они сделали то, что сделали», — сказал Стюарт Кауфман, почетный теоретик сложности в Университете Пенсильвании. «Они сделали эти вопросы законными».
Майкл Вонг, астробиолог из Института Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия.
Фотография: Кэтрин Кейн/Carnegie ScienceДругие утверждают, что распространение эволюционных идей о функции на неживые системы — это перебор. Количественное значение, которое измеряет информацию в этом новом подходе, не только относительно — оно меняется в зависимости от контекста — его невозможно вычислить. По этой и другим причинам критики утверждают, что новую теорию невозможно проверить, и поэтому она бесполезна.
Работа затрагивает расширяющиеся дебаты о том, как биологическая эволюция вписывается в обычные рамки науки. Теория дарвиновской эволюции путем естественного отбора помогает нам понять, как живые существа изменились в прошлом. Но в отличие от большинства научных теорий, она не может предсказать многое о том, что будет дальше. Может ли встраивание ее в метазакон возрастающей сложности позволить нам заглянуть в будущее?
Создание смысла
История начинается в 2003 году, когда биолог Джек Шостак опубликовал короткую статью в журнале Nature, в которой предложил концепцию функциональной информации. Шостак, который шесть лет спустя получил Нобелевскую премию за несвязанную работу, хотел количественно оценить объем информации или сложность, которую воплощают биологические молекулы, такие как белки или нити ДНК. Классическая теория информации, разработанная исследователем телекоммуникаций Клодом Шенноном в 1940-х годах и позднее развитая российским математиком Андреем Колмогоровым, предлагает один ответ. По Колмогорову, сложность строки символов (например, двоичных 1 и 0) зависит от того, насколько кратко можно однозначно указать эту последовательность.
Например, рассмотрим ДНК, которая представляет собой цепочку из четырех различных строительных блоков, называемых нуклеотидами. Цепь, состоящая только из одного нуклеотида, повторяющегося снова и снова, имеет гораздо меньшую сложность — и, следовательно, кодирует меньше информации — чем цепь, состоящая из всех четырех нуклеотидов, в которой последовательность кажется случайной (что более типично для генома).
Джек Шостак предложил способ количественной оценки информации в биологических системах.
Фотография: HHMIОднако Шостак отметил, что мера сложности Колмогорова игнорирует важный для биологии вопрос: как функционируют биологические молекулы.
В биологии иногда много разных молекул могут выполнять одну и ту же работу. Рассмотрим молекулы РНК, некоторые из которых имеют биохимические функции, которые можно легко определить и измерить. (Как и ДНК, РНК состоит из последовательностей нуклеотидов.) В частности, короткие нити РНК, называемые аптамерами, надежно связываются с другими молекулами.
Допустим, вы хотите найти РНК-аптамер, который связывается с определенной целевой молекулой. Могут ли это сделать многие аптамеры или только один? Если только один аптамер может выполнить эту работу, то он уникален, так же как уникальна длинная, на первый взгляд случайная последовательность букв. Шостак сказал, что этот аптамер будет иметь много того, что он назвал «функциональной информацией».
Иллюстрация: Ирен Перес для журнала Quanta MagazineЕсли много разных аптамеров могут выполнять одну и ту же задачу, функциональная информация намного меньше. Поэтому мы можем вычислить функциональную информацию молекулы, спросив, сколько других молекул того же размера могут выполнять ту же задачу так же хорошо.
Шостак продолжил показывать, что в таком случае функциональную информацию можно измерить экспериментально. Он сделал кучу РНК-аптамеров и использовал химические методы для идентификации и изоляции тех, которые связывались с выбранной целевой молекулой. Затем он немного мутировал победителей, чтобы найти еще лучшие связыватели, и повторил процесс. Чем лучше аптамер связывается, тем меньше вероятность того, что другая молекула РНК, выбранная случайным образом, будет делать то же самое: функциональная информация победителей в каждом раунде должна расти. Шостак обнаружил, что функциональная информация наиболее эффективных аптамеров все ближе приближалась к максимальному значению, предсказанному теоретически.
Выбрано для функции
Хазен наткнулся на идею Шостака, размышляя о происхождении жизни — вопрос, который привлек его как минералога, поскольку давно предполагалось, что химические реакции, происходящие в минералах, играют ключевую роль в возникновении жизни. «Я пришел к выводу, что разговор о жизни и не-жизни — это ложная дихотомия», — сказал Хазен. «Я чувствовал, что должен быть какой-то континуум — должно быть что-то, что движет этим процессом от более простых к более сложным системам». Функциональная информация, думал он, обещала способ добраться до «возрастающей сложности всех видов эволюционирующих систем».
В 2007 году Хазен сотрудничал с Шостаком, чтобы написать компьютерную симуляцию, включающую алгоритмы, которые развиваются посредством мутаций. В этом случае их функция заключалась не в связывании с целевой молекулой, а в проведении вычислений. Они снова обнаружили, что функциональная информация спонтанно увеличивалась с течением времени по мере развития системы.
Там идея томилась годами. Хазен не видел, как ее развивать дальше, пока Вонг не принял стипендию в Институте Карнеги в 2021 году. У Вонга был опыт в области планетарных атмосфер, но они с Хазеном обнаружили, что думают об одних и тех же вопросах. «С самого первого момента, как мы сели и обсудили идеи, это было невероятно», — сказал Хазен.
Роберт Хазен, минералог в Институте Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия.
Фотография: предоставлена Робертом Хазеном«Я разочаровался в состоянии искусства поиска жизни в других мирах», — сказал Вонг. «Я думал, что это слишком узко ограничено жизнью, какой мы ее знаем здесь, на Земле, но жизнь в другом месте может пойти по совершенно иной эволюционной траектории. Так как же нам абстрагироваться достаточно далеко от жизни на Земле, чтобы заметить жизнь в другом месте, даже если у нее иная химическая специфика, но не настолько далеко, чтобы включить в нее все виды самоорганизующихся структур, таких как ураганы?»
Пара вскоре поняла, что им нужны эксперты из совершенно другого набора дисциплин. «Нам нужны были люди, которые подходили к этой проблеме с совершенно разных точек зрения, чтобы у всех нас были сдержки и противовесы предрассудкам друг друга», — сказал Хазен. «Это не минералогическая проблема; это не физическая проблема или философская проблема. Это все эти вещи».
Они подозревали, что функциональная информация является ключом к пониманию того, как сложные системы, такие как живые организмы, возникают в ходе эволюционных процессов, происходящих с течением времени. «Мы все предполагали, что второй закон термодинамики задает стрелу времени», — сказал Хейзен. «Но, похоже, есть гораздо более своеобразный путь, по которому движется Вселенная. Мы думаем, что это происходит из-за отбора по функции — очень упорядоченного процесса, который приводит к упорядоченным состояниям. Это не является частью второго закона, хотя и не противоречит ему».
Рассматриваемая с этой точки зрения концепция функциональной информации позволила команде задуматься о развитии сложных систем, которые, на первый взгляд, вообще не связаны с жизнью.
На первый взгляд, это не кажется многообещающей идеей. В биологии функция имеет смысл. Но что означает «функция» для камня?
Все, что это на самом деле подразумевает, сказал Хазен, это то, что некий селективный процесс благоприятствует одной сущности среди множества других потенциальных комбинаций. Огромное количество различных минералов может образовываться из кремния, кислорода, алюминия, кальция и так далее. Но только несколько из них встречаются в любой данной среде. Наиболее стабильные минералы оказываются наиболее распространенными. Но иногда менее стабильные минералы сохраняются, потому что недостаточно энергии для их преобразования в более стабильные фазы.
«Информация сама по себе может быть жизненно важным параметром космоса, подобным массе, заряду и энергии».
Майкл Вонг, Институт Карнеги
Это может показаться тривиальным, как утверждение, что некоторые объекты существуют, а другие нет, даже если бы это было возможно в теории. Но Хазен и Вонг показали, что даже для минералов функциональная информация увеличилась в ходе истории Земли. Минералы эволюционируют в сторону большей сложности (хотя и не в дарвиновском смысле). Хазен и коллеги предполагают, что сложные формы углерода, такие как графен, могут образовываться в богатой углеводородами среде спутника Сатурна Титана — еще один пример увеличения функциональной информации, которая не связана с жизнью.
То же самое и с химическими элементами. Первые мгновения после Большого взрыва были заполнены недифференцированной энергией. По мере остывания кварки образовывались, а затем конденсировались в протоны и нейтроны. Они собирались в ядра атомов водорода, гелия и лития. Только после того, как образовались звезды и в них произошел ядерный синтез, образовались более сложные элементы, такие как углерод и кислород. И только когда некоторые звезды исчерпали свое термоядерное топливо, их коллапс и взрыв в сверхновых породили более тяжелые элементы, такие как тяжелые металлы. Постепенно элементы увеличивали ядерную сложность.
Вонг сказал, что их работа позволяет сделать три основных вывода.
Во-первых, биология — это всего лишь один пример эволюции. «Существует более универсальное описание, которое движет эволюцией сложных систем».
Иллюстрация: Ирен Перес для журнала Quanta MagazineВо-вторых, сказал он, может существовать «стрела времени, которая описывает эту возрастающую сложность», подобно тому, как второй закон термодинамики, описывающий увеличение энтропии, как полагают, создает предпочтительное направление времени.
Наконец, Вонг сказал, что «информация сама по себе может быть жизненно важным параметром космоса, подобным массе, заряду и энергии».
В работе Хазена и Шостака, посвященной эволюции с использованием алгоритмов искусственной жизни, увеличение функциональной информации не всегда было постепенным. Иногда это происходило резкими скачками. Это перекликается с тем, что наблюдается в биологической эволюции. Биологи давно распознали переходы, при которых сложность организмов резко возрастает. Одним из таких переходов было появление организмов с клеточными ядрами (примерно от 1,8 до 2,7 миллиарда лет назад). Затем был переход к многоклеточным организмам (примерно от 2 до 1,6 миллиарда лет назад), резкое разнообразие форм тела во время кембрийского взрыва (540 миллионов лет назад) и появление центральной нервной системы (примерно от 600 до 520 миллионов лет назад). Появление людей, возможно, было еще одним крупным и быстрым эволюционным переходом.
Биологи-эволюционисты склонны рассматривать каждый из этих переходов как случайное событие. Но в рамках функционально-информационной модели кажется возможным, что такие скачки в эволюционных процессах (биологических или нет) неизбежны.
В этих скачках Вонг изображает развивающиеся объекты как получающие доступ к совершенно новому ландшафту возможностей и способов стать организованными, как будто проникающие на «следующий этаж выше». Важно то, что то, что имеет значение — критерии отбора, от которых зависит продолжение эволюции — также меняется, прокладывая совершенно новый курс. На следующем этаже вас ждут возможности, которые вы не могли предугадать, пока не достигли его.
Например, во время зарождения жизни изначально могло иметь значение, что протобиологические молекулы будут сохраняться в течение длительного времени — что они будут стабильными. Но как только такие молекулы стали организовываться в группы, которые могли катализировать образование друг друга — то, что Кауффман назвал автокаталитическими циклами — сами молекулы могли быть недолговечными, пока сохранялись циклы. Теперь имела значение динамическая, а не термодинамическая стабильность. Рикард Соле из Института Санта-Фе считает, что такие скачки могут быть эквивалентны фазовым переходам в физике, таким как замерзание воды или намагничивание железа: Это коллективные процессы с универсальными характеристиками, и они означают, что все меняется, везде и сразу. Другими словами, с этой точки зрения существует своего рода физика эволюции — и это тот вид физики, о котором мы уже знаем.
Биосфера создает свои собственные возможности
Сложность функциональной информации заключается в том, что, в отличие от таких мер, как размер или масса, она контекстуальна: она зависит от того, что мы хотим, чтобы объект делал, и в какой среде он находится. Например, функциональная информация для РНК-аптамера, связывающегося с определенной молекулой, обычно будет существенно отличаться от информации для связывания с другой молекулой.
Однако именно поиск новых применений для существующих компонентов и есть то, чем занимается эволюция. Перья, например, не эволюционировали для полета. Такое перепрофилирование отражает то, как биологическая эволюция смонтирована на скорую руку, используя то, что доступно.
Кауффман утверждает, что биологическая эволюция таким образом постоянно создает не просто новые типы организмов, но и новые возможности для организмов, которые не только не существовали на более ранней стадии эволюции, но и не могли существовать. Из супа одноклеточных организмов, которые составляли жизнь на Земле 3 миллиарда лет назад, ни один слон не мог внезапно появиться — для этого потребовалось множество предшествующих, случайных, но определенных инноваций.
Однако не существует теоретического предела количеству применений объекта. Это означает, что появление новых функций в ходе эволюции невозможно предсказать, и все же некоторые новые функции могут диктовать сами правила того, как система будет развиваться впоследствии. «Биосфера создает свои собственные возможности», — сказал Кауффман. «Мы не только не знаем, что произойдет, мы даже не знаем, что может произойти». Фотосинтез был таким глубоким развитием; такими же были эукариоты, нервная система и язык. Как выразили микробиолог Карл Вёзе и физик Найджел Голденфельд в 2011 году: «Нам нужен дополнительный набор правил, описывающих эволюцию исходных правил. Но этот верхний уровень правил сам по себе должен развиваться. Таким образом, мы получаем бесконечную иерархию».
Физик Пол Дэвис из Университета штата Аризона согласен, что биологическая эволюция «генерирует свое собственное расширенное пространство возможностей, которое невозможно надежно предсказать или зафиксировать посредством какого-либо детерминированного процесса из предыдущих состояний. Таким образом, жизнь частично эволюционирует в неизвестность».
«Увеличение сложности обеспечивает будущий потенциал для нахождения новых стратегий, недоступных более простым организмам».
Маркус Хейслер, Сиднейский университет
Математически «фазовое пространство» — это способ описания всех возможных конфигураций физической системы, будь то сравнительно простая, как идеализированный маятник, или сложная, как все атомы, составляющие Землю. Дэвис и его коллеги недавно предположили, что эволюция в расширяющемся доступном фазовом пространстве может быть формально эквивалентна «теоремам о неполноте», разработанным математиком Куртом Гёделем. Гёдель показал, что любая система аксиом в математике допускает формулировку утверждений, которые нельзя доказать как истинные или ложные. Мы можем решать такие утверждения, только добавляя новые аксиомы.
Дэвис и коллеги говорят, что, как и в случае с теоремой Гёделя, ключевым фактором, который делает биологическую эволюцию открытой и не позволяет нам выразить ее в замкнутом и всеобъемлющем фазовом пространстве, является то, что она самореферентна: появление новых действующих лиц в пространстве оказывает обратное влияние на тех, кто уже там, создавая новые возможности для действия. Это не относится к физическим системам, которые, даже если у них есть, скажем, миллионы звезд в галактике, не являются самореферентными.
«Увеличение сложности обеспечивает будущий потенциал для поиска новых стратегий, недоступных для более простых организмов», — сказал Маркус Хейслер, биолог по развитию растений в Сиднейском университете и соавтор статьи о неполноте. Эта связь между биологической эволюцией и проблемой невычислимости, сказал Дэвис, «идет прямо в самое сердце того, что делает жизнь такой волшебной».
Является ли биология чем-то особенным среди эволюционных процессов, имея открытость, порожденную самореференцией? Хейзен считает, что на самом деле, как только в смесь добавляется сложное познание — как только компоненты системы могут рассуждать, выбирать и проводить эксперименты «в своих головах», — потенциал макро-микро обратной связи и открытого роста становится еще больше. «Технологические приложения выводят нас далеко за пределы дарвинизма», — сказал он. Часы делаются быстрее, если часовщик не слепой.
Назад на скамью
Если Хазен и коллеги правы в том, что эволюция, включающая любой вид отбора, неизбежно увеличивает функциональную информацию — по сути, сложность — означает ли это, что сама жизнь, а возможно, и сознание и высший интеллект неизбежны во вселенной? Это противоречило бы тому, что думали некоторые биологи. Выдающийся эволюционный биолог Эрнст Майр считал, что поиск внеземного разума обречен, поскольку появление разума, подобного человеческому, «совершенно невероятно». В конце концов, сказал он, если разум на уровне, который ведет к культурам и цивилизациям, был так адаптивно полезен в дарвиновской эволюции, как же он возник только один раз на всем древе жизни?
Эволюционная точка Майра, возможно, исчезает при скачке к человеческой сложности и интеллекту, после чего все игровое поле полностью трансформируется. Люди достигли планетарного господства так быстро (к лучшему или к худшему), что вопрос о том, когда это произойдет снова, становится спорным.
Иллюстрация: Ирен Перес для журнала Quanta MagazineНо каковы шансы такого скачка вообще? Если новый «закон увеличения функциональной информации» верен, то похоже, что жизнь, как только она появится, будет стремительно усложняться. Ей не обязательно полагаться на какое-то крайне маловероятное случайное событие.
Более того, такое увеличение сложности, по-видимому, подразумевает появление новых причинных законов в природе, которые, хотя и не являются несовместимыми с фундаментальными законами физики, управляющими мельчайшими составными частями, эффективно берут верх над ними в определении того, что произойдет дальше. Возможно, мы уже видим это в биологии: эксперимент Галилея (апокрифический) по сбрасыванию двух масс с Пизанской башни больше не имеет предсказательной силы, когда массы являются не пушечными ядрами, а живыми птицами.
Вместе с химиком Ли Кронином из Университета Глазго Сара Уокер из Университета штата Аризона разработала альтернативный набор идей для описания того, как возникает сложность, называемый теорией сборки. Вместо функциональной информации теория сборки опирается на число, называемое индексом сборки, которое измеряет минимальное количество шагов, необходимых для создания объекта из его составляющих ингредиентов.
«Законы для живых систем должны несколько отличаться от тех, что мы имеем в физике сейчас», — сказала Уокер, — «но это не значит, что законов нет». Но она сомневается, что предполагаемый закон функциональной информации можно строго проверить в лаборатории. «Я не уверена, как можно сказать, что [теория] верна или неверна, поскольку нет способа проверить ее объективно», — сказала она. «Что будет искать эксперимент? Как он будет контролироваться? Я бы с удовольствием увидела пример, но я остаюсь скептически настроенной, пока в этой области не будет проведена некоторая метрология».
Хазен признает, что для большинства физических объектов невозможно вычислить функциональную информацию даже в принципе. Даже для одной живой клетки, признает он, нет способа ее количественно оценить. Но он утверждает, что это не является камнем преткновения, потому что мы все еще можем понять ее концептуально и получить приблизительное количественное представление о ней. Аналогично, мы не можем вычислить точную динамику пояса астероидов, потому что гравитационная проблема слишком сложна, но мы все еще можем описать ее достаточно приблизительно, чтобы провести через нее космический корабль.
Вонг видит потенциальное применение их идей в астробиологии. Одним из любопытных аспектов живых организмов на Земле является то, что они склонны производить гораздо меньшее подмножество органических молекул, чем они могли бы производить, имея основные ингредиенты. Это потому, что естественный отбор выбрал некоторые предпочтительные соединения. Например, в живых клетках гораздо больше глюкозы, чем можно было бы ожидать, если бы молекулы просто создавались либо случайным образом, либо в соответствии с их термодинамической стабильностью. Таким образом, одним из потенциальных признаков жизнеподобных существ в других мирах могут быть похожие признаки отбора за пределами того, что могла бы создать только химическая термодинамика или кинетика. (Теория сборки аналогичным образом предсказывает биосигнатуры, основанные на сложности.)
Могут быть и другие способы проверить эти идеи. Вонг сказал, что предстоит еще много работы по эволюции минералов, и они надеются рассмотреть нуклеосинтез и вычислительную «искусственную жизнь». Хазен также видит возможные применения в онкологии, почвоведении и эволюции языка. Например, эволюционный биолог Фредерик Томас из Университета Монпелье во Франции и его коллеги утверждают, что селективные принципы, управляющие тем, как раковые клетки изменяются с течением времени в опухолях, не похожи на принципы дарвиновской эволюции, в которой критерием отбора является приспособленность, но больше напоминают идею отбора по функции от Хазена и его коллег.
Команда Хазена отвечает на запросы исследователей, от экономистов до нейробиологов, которые хотят узнать, может ли этот подход помочь. «Люди обращаются к нам, потому что они отчаянно пытаются найти модель, которая объяснит их систему», — сказал Хазен.
Но независимо от того, окажется ли функциональная информация правильным инструментом для размышлений над этими вопросами, многие исследователи, похоже, сходятся на схожих вопросах о сложности, информации, эволюции (как биологической, так и космической), функции и цели, а также направленности времени. Трудно не подозревать, что происходит что-то большое. Есть отголоски ранних дней термодинамики, которая началась со скромных вопросов о том, как работают машины, и в конечном итоге обратилась к стреле времени, особенностям живой материи и судьбе вселенной.
Источник: www.wired.com
