Жизнь - иерархический синтез информации

Жизнь - иерархический синтез информации

Жизнь закономерно, с высокой вероятностью возникает во Вселенной на основе именно углерода и в формах, сопоставимых с земными. Причина заключена в шестимерных симметриях фазового пространства, в котором описываются электронные оболочки атомов. Главное в физико-химических процессах, определяющих жизнь на уровне РНК и ДНК, что их энергетически равноправные формы неоднозначны и это служит источником случайностей. Генетический код неоптимален в абстрактном математическом смысле. Иерархический синтез информации при возникновении и эволюции жизни есть выражение принципа максимума производства энтропии. Симбиоз является его наблюдаемой формой от органелл эукариотической клетки до биогеоценозов.

Углерод - универсальная основа возникновения жизни во Вселенной

Существуют молекулы. Они возникают в результате того, что случайный выбор из "нумерованных" атомов запоминается в виде однозначных структур. Минимум свободной энергии (приближённо) или критерии устойчивости в комплексной плоскости (строго) гарантирует их устойчивость. Поэтому большинство даже очень сложных молекул всего лишь "тупики равновесия".

Структуру молекул создают взаимодействия электронных оболочек составляющих их атомов. Они выражаются тремя типами химических связей. Наиболее сильная из них - ионная. Следующая по силе - ковалентная. Более слабая - водородная связь. Эти понятия известны из учебников химии (см., например, [43]). Разработаны методы расчёта структуры молекул, протекания химических реакций, определения их конечных и промежуточных продуктов. В частности, для этого эффективно используется термодинамика и такие её понятия как энтропия S и свободная энергия G (см., например, [44]). В строгой терминологии физики переменная G есть свободная энтальпия, но в биологии и в химии её обычно называют свободная энергия.

Энтропия S есть иерархическая переменная. Её форма в классическом для химии виде [44] не исключает существования меры информации - энтропии - в формах, которые отвечают предыдущим ступеням иерархии и отличаются от привычной энтропии в физической химии.

Жизнь существует в системе, которая состоит из химических элементов таблицы Д. Менделеева. Её часть приведена на рис. 1. Рамкой обведены основные элементы, ответственные за существование жизни: водород (60,3% атомов живых систем), кислород (25,5%), углерод (10,5%), азот (2,42%), фосфор (0,134%), сера (0,132%). Они непосредственные соседи по таблице Менделеева. В терминах заполнения электронных оболочек (за исключением водорода) они являются p-элементами (выделены шрифтом). Ионы, присутствующие во всех формах жизни представлены в левом нижнем углу таблицы. Это s-элементы. Они выделены другим шрифтом. К ним же одновременно относится и водород.

Рис. 1

Видно, что ответственные за жизнь вещества определяются атомами, у которых заполняются начальные, наиболее простые электронные оболочки. Это главный первичный принцип их "выбора" для "осуществления" жизни. Этим - моделью атомов - заданы условия в виде свойств элементов таблицы Менделеева (как системы), исходных для возникновения и существования жизни.

Введу нулевой уровень иерархической энтропии в виде S_Men . Аргументом этой энтропии (числом возможных состояний системы - W_Men в определении энтропии-информации) будет число возможных химических соединений элементов таблицы Менделеева. Тогда каждому элементу таблицы Менделеева можно сопоставить число W_Men,e = n_e - количеству веществ, образуемых на основе данного химического элемента. Натуральный логарифм этого числа назову энтропией Менделеева:

S_Men,e = K_Men lnW_Men,e (1)

(определение адиабатического инварианта K_Men такой энтропии здесь не обсуждается). Энтропия Менделеева определяется числом состояний в 6N-мерном фазовом пространстве, в котором правила упаковки электронных оболочек атомов задают свойства индивидуальных веществ.

При определении энтропии на основе числа возможных химических соединений углерод бесспорно отвечает максимуму, обозначенному S_C, такой энтропии:

max S_Men,е = S_C = K_Men--lnW_Men,C (2)

- количество образованных на основе углерода соединений огромно.

Острота максимума энтропии есть её главная особенность. Для энтропии Менделеева это условие выполняется. Положение углерода среди элементов таблицы Менделеева (как реализация максимума ступени иерархической энтропии) наделяет его уникальными свойствами.

Первое из них есть сама констатация факта, что углерод отвечает максимуму введенной выше энтропии - число возможных на его основе соединений на 5 - 7 порядков величины больше, чем для прочих элементов таблицы Менделеева. С учётом остроты максимумов энтропии огромное число возможных соединений углерода перестаёт быть необъяснимым "чудом".

Вторая уникальная особенность углерода в том, что никакой другой элемент периодической системы Д. Менделеева, кроме углерода, не может создавать стабильные молекулы со столь разнообразными пространственными конфигурациями и размерами, с таким разнообразием функциональных групп. Основа этого - ковалентные связи углерода с другими элементами. Первичная причина этого, опять-таки, условия упаковки атомов, отвечающие положению углерода в максимуме одной из ступеней иерархической энтропии.

Углерод обладает третьей уникальной особенностью: прочность ковалентных связей атомов углерода между собой и с такими элементами, как, например, водород, кислород, азот, сера, фосфор намного больше, чем для комбинаций атомов других элементов. Причина всё та же.

Рис.2

На основе углерода образуются молекулы, "элементарными составляющими" которых являютcя большие группы атомов. Например, белки, "атомы" которых есть сложные молекулы - аминокислоты. Или молекулы ДНК, составляющие которых - нуклеотиды. Это свойство углерода создаёт для его соединений новый уровень иерархии энтропии-информации, особенность которого в том, что в пределах соединений углерода существует класс веществ и реакций с их участием, который отличает ещё одно уникальное свойство, известное в биохимии - принцип структурной комплементарности [45].

Принцип структурной комплементарности утверждает, что на основе 20 аминокислот (из известных примерно 150) и 5 нуклеотидов (из десятков других) возможны цепочки до 20 поcледовательных каталитических реакций, в которых практически без отходов продукты одних реакций используются в следующих. Именно эти аминокислоты и нуклеотиды есть главная составляющая форм жизни на Земле (см. рис. 2).

Принцип структурной комплементарности становится базой, на основе которой возникает следующая новая ступень иерархии энтропии-информации. Её характеризует хорошо известный факт - среди соединений углерода, удовлетворяющих принципу структурной комплементарности, существуют такие, для которых минимум свободной энергии одинаков для разных последовательностей и пространственных комбинаций составляющих их "атомов" - нуклеотидов. Это молекулы РНК и ДНК, которые известны как носители генетической информации (генетического кода). Для равновесных молекул в природе энергетические условия гарантируют однозначность структуры, а для РНК и ДНК - нет. Минимум свободной энергии и равновесие есть - однозначного результата нет. Вместо него - случайность. Это можно проиллюстрировать аналогией. На плоской горизонтальной поверхности сделаны одинаковые лунки. Падающий шарик окажется на дне одной из них. Какой именно? - Случайной!

В этом надо сделать оговорку. Конкретная длина молекул РНК и ДНК может быть различной. Разной длине молекул отвечает разная абсолютная величина свободной энергии. Выше подчеркивалась одинаковость свободной энергии для групп молекул РНК или ДНК в том случае, когда она осреднённо отнесена к одной связи или к одной их группе. Аналогично разные нуклеотиды в РНК и ДНК имеют разные энергии связи между собой. И по отношению к ним вышеизложенное должно содержать оговорку об осреднении.

Синтез по схеме рис.2 ответственных за жизнь простейших исходных веществ, использует выделенные рамками на рис. 1 элементы таблицы Менделеева. Тот факт, что они оказываются пригодными для возникновения жизни задаёт случайность, ограниченная условиями на предыдущем по отношению к жизне уровне иерархии энтропии-информации. Химические элементы, участвующие в таких случайностях, могут быть только трёх видов:

элементы, на основе которых возможно существование жизни;

элементы, которые безразлично совместимы с жизнью;

элементы, не совместимые с жизнью, разрушающие её.

Посмотрите на рис.1. Элементы, которые при попадании в живой организм становятся ядами - это литий (Li), бериллий (Be), фтор (F). Менее выражен как яд - бор (В) Токсичность этих элементов имеет причиной их сходство с теми, которые важнейшие для жизни. Они могут вступать в такие же реакции, но блокируют их продолжение (уничтожают жизнь), так как малые отличия возникающих с их участием продуктов блокируют работу принципа структурной комплементарности. Они становятся ядами именно потому, что подобны "живым продуктам". В четвертом периоде таблицы Менделеева подобными свойствами и по та-кой же причине обладает аналог азота и фосфора с б?льшим числом энергетических уровней - мышьяк.

Алюминий (Al) и, отчасти, кремний (Si) безразличны для жизни. Как правило, это означает, что невозможны реакции с участием таких веществ, которые подобны "живым". Галлий и германий продолжают эту тенденцию в четвёртом периоде. Сохраняется она и дальше у индия и олова. Но таллий и свинец получают свойства изощрённо действующих ядов. В них искажены исходные симметрии первых трёх периодов таблицы Менделеева - даже слабо дефектные по форме "кирпичи" непригодны для фундамента многоэтажой постройки.

Более сложные d-элементы из-за заполнения внутренних оболочек теряют исходную простоту шестимерных симметрий первых трёх периодов таблицы Менделеева. Однако и среди них повторяются те же три варианта случайностей. "Положительный" итог среди них менее вероятен, чем в первых трёх периодах. Наиболее важные такие исключения - железо и медь. В образовании жизни f-элементы участвуют скорее как исключения. К этим элементам безразличие жизни достигается далеко не всегда. Эталоном инертности по отношению к жизни является золото, но с ним соседствует ртуть, токсичность которой общеизвестна.

Случайность, ограниченная условиями, остаётся важнейшим и для последующих физико-химических этапов возникновения и эволюции жизни. В частности, синтез информации при образовании РНК и ДНК (как классов молекул) приводит к случайности их конкретных форм. В этом главное отличие молекул, которые называют носителями генетического кода. В них не только нет какого-то кода или информации a priori - они ещё (в отличие от всех других молекул) не имеют однозначной формы, а случайно разные! Но именно это требуется для того, чтобы они могли стать основой для синтеза в них информации - создать способность дальнейших превращений, в данном случае, иерархический синтез генетической информации.

Из примерно сотни элементов таблицы Менделеева, присутствующих в земной коре, всего 22 входят в состав живых организмов и только 16 универсальны для всех их видов и форм. Случайность, ограниченная условиями, и запоминание есть самое главное для возникновения и эволюции жизни. Это заложено даже в её абсолютно неживой основе в виде таблицы Менделеева. Распространённость в неживой природе тех или иных элементов отношения к этому не имеет. Мала она или велика - жизнь использует в нужных для себя пропорциях то, что есть.

Как подчеркивалось в первой главе, энтропия есть количественная мера беспорядка. Если среди этого беспорядка выбран единственный элемент, то этим выбором устранена неопределённость, созданная беспорядком - мера неопределенности становится мерой информации, содержащейся в выбранном объекте. Огромное число возможных соединений углерода есть основа, на которой подсчитывается количество информации о первичной неживой основе для возникновения жизни. В составе этой информации содержится как собственно информация, так и семантическая информация - действие физических и химических законов. Критерии синтеза информации их соотношение, которое отображает семнатический коэффициент

В природе совершает выбор - устраняет неопределённость - физический процесс одного из видов, выделяющий тип элементов системы (конкретные РНК или ДНК) из всех остальных. Устойчивость этого процесса (запоминание) превращает величину беспорядка в количество информации, содержащееся в РНК или ДНК. Статически равновесные (в пределе) молекулы РНК и ДНК управляют метаболизмом - динамическими процессами, включающими в себя динамическое равновесие, а также производство энтропии и энергии. В частности, понятие - генетическая информация - может быть основой дальнейшей иерархии энтропий потому, что молекулы РНК и ДНК обладают гетерокаталитическими свойствами.

Определение - гетерокаталитические свойства или действие ДНК и РНК - означает, что эти молекулы могут управлять сложными многоступенчатыми реакциями, в которых не только их собственные участки являются катализаторами, но, например, ДНК может катализировать реакции с участием РНК как промежуточных агентов. В комплекс гетерокатализируемых реакций входит самовоспроизведение ДНК.

Необходимо отметить, что собственно катализаторами в этих процессах участвуют белки (ферменты) [46], [47]. В современном мире все они ситезируются с участием нуклеиновых кислот. Но существуют экспериментальные доказательства синтеза белков из богатых энергией производных аминокислот, который происходит без участия нуклеотидов. Экспериментально показано также, что полинуклеотиды могут синтезироваться неферментативным путём. В этом не всё достаточно исследовано, но такие процессы могли быть существенными при предбиологической эволюции. В кислородной атмосфере абиогенные синтезы белков и нуклеотидов блокируются. Присутствие развитых форм жизни дополнительно приводит к уничтожению подобных продуктов как пищи для существующих живых организмов.

Принцип структурной комплементарности гарантирует при гетерокатализе существование промежуточных продуктов реакций и их комплексность, необходимую для самовоспроизведения молекул РНК или ДНК - молекулы РНК и ДНК могут размножаться.

Принцип структурной комплементарности задан экстремумом ступени роста иерархической энтропии (ряд (1.29)) на уровне "энтропии Менделеева". Но как бы не был он острым, его описывает интервал на оси аргументов. Условия неизбежно изменяют его положение. При возникновении жизни они отличались от современных по температуре и давлению Состав преобладающих веществ в окружающей среде при возникновении жизни отличался от современного. Принцип структурной комплементарности при возникновении жизни действовали так же, как и сегодня. Но длина безотходных цепочек и образующие их конкретные реакции не были тождественными тем, которые доминируют сегодня.

Саморазмножение есть то решающее свойство, которое отличает жизнь. Однако химия в целом (как область науки) - это есть описание "размножения" молекул. Отличие обычного понимания химических технологий от химии жизни в том, что в технологиях для воспроизводства молекул данного вида необходимо задать в нужной последовательности нужные продукты и условия. В отличие от этого, для размножения молекул РНК и ДНК извне требуются специфические продукты и условия для начала реакций. В силу принципа структурной комплементарности большинство последующих продуктов они могут для себя создать сами. Длина безотходной цепочки в принципе структурной комплементарности и многообразие результатов её реализации могут увеличиваться в процессе эволюции жизни - она не должна и не может возникнуть сразу в её современном виде.

Повторю. Последовательность иерархических максимумов энтропии на уровне образования ядер атомов химических элементов и их электронных оболочек приводит к уникальному положению углерода (как химического элемента) среди других элементов. Поэтому уникальны и свойства его соединений. В условия, ограничивающие связанные с этим случайност, входят экстремумы энергии. Их учитывает семантическая информация. Она связана с понятием об энтропии как функции комплексного переменного. В таком анализе синтез информации как запоминание в данных условиях случайного выбора на основе критериев устойчивости содержит в себе механизмы, регулирующие соотношение физических законов и случайностей в полученном результате. Итогом иерархической последовательности синтеза информации являются РНК и ДНК как классы химических соединений. Их разные случайные структуры могут реализоваться, в частности, при одном и том же минимуме свободной энергии. Созданный этим новый класс случайностей и условий есть важнейшее для перехода от неживой к живой природе. В неживой природе минимумы свободной энергии дают однозначные формы молекул (с точностью до существования зеркальных изомеров). Жизнь основана на классах химических соединений (РНК, ДНК), для которых практически одинаковая величина минимума свободной энергии разрешает случайность их форм.

Гетерокаталитические свойства РНК, ДНК и принцип структурной комплементарности не есть удачная необъяснимая случайность. Их задаёт статус углерода в таблице Менделеева как максимума энтропии S_Men . Это дополняет роль минимумов свободной энергии на этапах синтеза химических соединений, которые предшествуют образованию случайных форм РНК и ДНК. Такая ситуация отражена в природе тем достоверно известным фактом, что аминокислоты, из которых строятся белки, могут синтезироваться абиогенно. Это же относится нуклеотидам, необходимым для синтеза РНК и ДНК, но с оговорками о неполноте условия в экспериментах по проверке их абиогенного синтеза. Процессами предбиологической эволюции управляют критерии устойчивости в комплексной плоскости энтропии-информации.

Поэтому "первичный бульон", в котором зародилась жизнь на Земле, неизбежно абиогенно содержал продукты, необходимые для синтеза РНК и начала их самовоспроизведения. В определённых внешних условиях эти продукты синтезируются закономерно, в огромном разнообразии, а не как редкое исключение. Это доказано экспериментально давно и повторять описание классических экспериментов С. Миллера 1953 г. нет необходимости, так как оно есть в большинстве учебников биологии и биохимии. Однако неизвестны точные в деталях условия, которые были при возникновении жизни на Земле. Поэтому исключения в опытах Миллера относятся к тем, которые только подчёркивают правило.

Рис.3

Важное условие абиогенного синтеза веществ, необходимых для возникновения жизни - подвод энергии. Его обеспечивают электрические разряды, ультрафиолетовое излучение и вулканическая деятельность в глубинах Земли. Высокие температуры и давления в число условий входят неизбежно в силу геофизической эволюции Земли. Геофизически и по количеству производимых сложных соединений углерода вулканы есть наиболее вероятные поставщики веществ для возникновения жизни. Гидротермальные источники выносят вулканические продукты в сферу возможного возникновения жизни. На рис.3 показана схема иерархии синтеза информации при образовании "неживых веществ", ответственных за возникновение жизни. Ось ординат на нём мнимая, что обозначает мнимая единица i. Ось абсцисс - действительная. Положение конкретных классов веществ в пределах плоскостей на рис.3 отражает соотношение случайностей и физико-химических законов в их синтезе. Семантический коэффициент (1.30), вычисленный в каждом конкретном случае выражает его количественно.

Сложные детали в предбиологической (химической) эволюции жизни связаны с полинуклеотидами как информационными молекулами. В живых системах они создаются с помощью ферментов при участии нуклеотидтрифосфатов. Пока не обнаружено достоверных источников их поступления предбиологический бульон. Именно в этом причина появления гипотез [48] об участии глин как матриц для их синтеза.

В этой работе я утверждаю, что шестимерные симметрии и принцип структурной комплементарности делают в специфических высокотемпературных условиях вероятным синтез полинуклеотидов без участия ферментов. Это задаёт преимущественное направление процессов в сторону возникновения жизни. Поэтому закономерно и с высокой вероятностью существуют необходимые детали (пока неизвестные), гарантирующие синтез нуклеотидов и полинуклеотидов.

Процесс накопления на Земле предбиологических органических веществ динамический. Их синтезу противопоставлены процессы разрушения, например, фотодеструкция и гидролиз. Однако синтез органических соединений происходил не только в атмосфере, но и в недрах Земли. Эти продукты поступали в атмосферу в результате (как упоминалось выше) вулканической деятельности, которая на первичных этапах существования Земли была более интенсивной, чем сейчас.

Достоверно, что одно извержение вулкана может дать до тысячи тонн органических веществ. Вулканы могут существовать до 100 тысяч лет. Примерно за миллиард первых лет существования Земли могло образоваться количество органических веществ порядка 10¹² - 10¹³ тонн. Это, отнюдь, не мало даже с учётом неизбежных процессов их деструкции. Нельзя игнорировать и, например, тот достоверный факт, что на некоторых планетах Солнечной системы или у их крупных спутников атмосфера преимущественно азотно-метановая-водородная. Это даёт достоверные примеры существования больших количеств органических соединений на "неживой" стадии эволюции планет.

Для возникновения жизни необходим "крепкий" бульон, но он не обязательно должен быть однородным в планетарных масштабах. Достаточно, чтобы он существовал относительно длительное время хотя бы локально. Зоны активной вулканической деятельности даже сегодня создают такие условия. На начальных стадиях геологической эволюции Земли их было больше и существовали они дольше. Схема рис.3 содержит в себе аналогии с существующими сегодня простейшими формами жизни. Реально в ней должна быть больше подчеркнута роль в возникновении жизни серы и её соединений, окисления металлов.

Важнейшая особенность химической эволюции, предшествующей возникновению жизни, состоит в том, что она происходила в условиях, которые несопоставимы с существующими сегодня. Прежде всего, это более высокие температуры и давления. Жизнь обязательно должна была возникнуть на основе комплекса аминокислот и нуклеотидов, отличавшегося в деталях от существующего в живых системах сегодня - он преемственный, может содержать частично одинаковые компоненты, но он не полностью тождественен сегодняшнему.

Принцип структурной комплементарности есть отображение иерархических экстремумов энтропии и её производства. Его реализация есть синтез информации - запоминание случайного выбора, ограниченного условиями. Они при возникновении жизни заведомо не те, что сейчас. Соответственно должны быть отличия в результате. После возникновения жизни условия изменялись (в том числе в результате её существования). Возникали новые условия для случайностей. Менялся выбор из них. Запоминание в этом выборе определяло размножение форм жизни. В этом процессе за относительно большое время неизбежно менялся комплекс тех веществ, которые могли поддерживать жизнь в новых условиях. Всё, что говорится в этой главе о первичном бульоне, надо понимать в таком смысле. Питательные среды современной микробиологии не были и не могли быть 3,8 миллиарда лет назад основой возникновения жизни, так как тогда условия и состав среды были иными.

Химическая основа жизни не возникла одномоментно в законченном современном виде. Принцип взаимокомплементарных аминокислот, нуклеотидов и других необходимых для жизни веществ действовал и при возникновении жизни. Но физико-химические условия были другие, а потому были другими результаты запоминания случайного выбора - эволюция условий сопровождалась эволюцией химических основ жизни. Существо и направление этой эволюции - увеличение длины безотходных цепочек реакций, рост возможностей дальнейших превращений.

2. Предбиологическая эволюция М. Эйгена

Обычно при определении отличия живых систем от неживых подчеркивают роль автокаталитических реакций - химического самовоспроизведения. Выделяют неравновесность как отличие живых систем и отмечают особенность энергетики метаболизма - использование для её нужд свободной энергии. Эти факторы в определении живых систем должны участвовать. Однако решающее отличие жизни, как было подчёркнуто выше, есть случайности как результат неоднозначности автокатализа. На основе изложенного выше, сформулирую ещё один вариант определения жизни в виде утверждения - жизнь есть класс самовоспроизводящихся динамических систем, в которых случайные ошибки могут приводить к новым самовоспроизводящимся системам.

Предбиологическая эволюция есть физико-химические процессы самопроизвольного синтеза веществ, которые способны сочетать однозначное и неоднозначное самовоспроизведение.

Для того, чтобы пояснить особенности подхода к задаче о возникновении и эволюции жизни в моих работах, рассмотрю предбиологическую эволюцию в том виде, в котором её математическое описание сформулировал в 1971 г. М. Эйген [29]. В основе работ Эйгена лежат две глобальные предпосылки, которые нельзя считать окончательными:

жизнь есть флуктуация, направленная против роста энтропии, то есть жизнь возникает вопреки второму началу термодинамики;

можно ввести понятие о параметре "ценности" информации, который характеризует уровень эволюции.

Перескажу конкретно предпосылки работы Эйгена в том виде, в котором он их формулирует, сопоставив их с решениями в моей работе. Цитаты из работы Эйгена [29] выделены курсивом и кавычками (не путать с полужирным курсивом моих подчёркиваний).

"Эволюция должна начинаться со случайных событий". Однако, как указывает Эйген, этому, казалось бы, противоречит, например, факт - относительно малая молекула белка из 100 аминокислотных остатков может иметь больше 10¹³⁰ вариантов различных их последовательностей. Представить наглядно такое огромное число просто невозможно. Отношение размера Вселенной к размеру электрона по сравнению с ним, есть, опять-таки, непредставимо малая величина.

Мой ответ на противоречие, сформулированное Эйгеном в п. 1:

Именно огромное число возможных случайных вариантов гарантирует остроту экстремумов энтропии, то есть детерминизм объектов и состояний, возникающих на основе случайностей. Ситуация подобна обычной для молекулярно-кинетической теории газов. Например, при атмосферном давлении эффекты, связанные с молекулярным строением газов трудно наблюдать именно потому, что числа возможных случайных реализаций состояний молекул газа - огромны (кстати, исторически именно это было всегда одной из причин непонимания молекулярно-кинетической теории, а также понятия об энтропии).

Однако абстрактные цифры типа 10¹³⁰ и более не отвечают реальности природы потому, что случайности всегда ограничены условиями, а синтез информации обязательно содержит в себе долю семантической информации, количественно определяемую критерием (1.30).

С учетом этого надо отметить, что для жизни человек (как наблюдатель) сам находится в одном из этих экстремумов. Поэтому даже ничтожные (в масштабах величины экстремума) отклонения от точки экстремума им наблюдаемы.

Из п. 1 Эйген делает вывод, что "Самоорганизация требует инструктивных свойств на молекулярном уровне". Инструктивные свойства, как он указывает, может задать информация, которая должна кодировать определённые функции. Ссылаясь на Бриллюэна, Шеннона и Шрёдингера он констатирует, что классическая теория информации (как теория передачи и обработки сообщений) не может объяснить возникновение информации, что ограничивает применимость теории информации к проблемам эволюции жизни. Выход из этого тупика Эйген видит в введении нового понятия - параметра ""ценности" информации", который характеризует уровень эволюции.

Мой ответ на противоречие, сформулированное Эйгеном в п. 2:

Возникновение информации определено Г. Кастлером [24] как запоминание случайного выбора. В моих работах [2] - [11] понятие синтеза информации конкретизировано цепочкой: Случайности - Условия - Запоминание, в которой запоминание реализуют критерии устойчивости Ляпунова, включая ранее не рассматривавшиеся в литературе случаи запоминания на основе критериев устойчивости в комплексной и принцип максимума производства энтропии, объясняющий переход системы через тупик равновесия. В результате неопределённое понятие "ценности" информации перестаёт быть необходимым (хотя и может использоваться как частная рабочая модель). Вместо него в природе действуют такие объективные критерии, как запас устойчивости и область устойчивости

И другое неопределённое понятие "инструктивные свойства на молекулярном уровне" заменяется конкретностью предыдущих "неживых" уровней иерархии энтропии-информации, в частности, 6N-мерных симметрий квазикристаллов в фазовом пространстве и принципом структурной комплементарности

Понятие "ценности" информации Эйген поясняет с помощью аналогии с дарвиновским естественным отбором, формулируя определение: "Информация "порождается" или преобретает ценность в результате отбора". Нужна математическая формулировка этого утверждения, то есть физически объективное обоснование понятия ценности. Эйген в связи с этим формулирует главный парадокс дарвинизма о том, что он есть просто "выживание выживающего". Эйген пытается уйти от этого трюизма: "Когда мы спрашиваем, что делает систему отобранной для производства "первичной информации", то ответ должен иметь отношение к некоторому возвратному свойству: "Самоорганизующаяся система отбирается для оптимальной способности отбора". … Такая способность … не является общим свойством материи ".

Мой ответ на противоречие, сформулированное Эйгеном в п. 3:

Принцип максимума производства энтропии, введенный в моих работах [2] - [11], утверждает, что самоорганизация "для оптимальной способности отбора", вопреки утверждению Эйгена, есть самое общее свойство окружающей нас природы и материи. Поэтому существует два принципиально разных варианта дарвиновского отбора.

Первый из них есть именно и только выживание выживающих вне критериев совершенства взаимодействия с окружением. Он объясняет (в моей терминологии) переход системы через тупик равновесия - возникновение признаков и особенностей, необъяснимых на основе дарвиновского естественного отбора. Это отбор (в терминологии Эйгена) "для оптимальной способности <дальнейшего> отбора". Им управляет принцип максимума производства энтропии, который есть принцип максимума способности к превращениям - "оптимальной способности отбора".

Второй случай, подробно рассмотренный Дарвиным, есть оптимизация в процессе приближения к равновесию. Вопреки утверждениям Эйгена он направлен к остановке, к тупику равновесия.

Поскольку Эйген не считает "отбор для оптимальной способности отбора" законом природы, то он видит выход из положения в формулировке предпосылки о том, что "Отбор происходит среди особых веществ в особых условиях".

В определении понятия - "особые вещества" конкретности у Эйгена нет. Он пишет - "Они являются носителями макромолекулярной информации, способными инструктировать свой собственный синтез".

В качестве особых условий Эйген отмечает неравновесность живых систем. Он цитирует известную книгу [49] Э. Шрёдингера "Что такое жизнь?" - "Живая материя уклоняется от деградации к равновесию" и поясняет, что: "Равновесие (в изолированной системе) является состоянием с максимумом энтропии. Если мы удерживаем систему вдали от равновесия, то мы должны постоянно компенсировать продукцию энтропии, то есть мы должны "питать" систему свободной энергией (в виде макроэнергических веществ). Она используется системой для "управления" определёнными реакциями посредством удержания системы вдали от "увядания" до инертного или "мёртвого" состояния равновесия". Математическое содержание работы Эйгена есть описание этого процесса при условии заданных волевым образом параметров "ценности информации" (жизнь и человек существуют на Земле, а потому в модели можно считать известной "цель" жизни и связанные с этим "ценности" без противоречий математическому аппарату Эйгена).

Мой ответ на противоречия, сформулированные Эйгеном в п. 4:

По вопросу об особых веществах.

Конкретное определение особых веществ - это те вещества, которые удовлетворяют принципу структурной комплементарности. Существование этого принципа задано иерархической энтропией на возрастающих уровнях - "элементарных частиц", таблицы Менделеева, химических реакций (как реализации плотной упаковки и симметрий в 6N-мерном фазовом пространстве).

По вопросу о неравновесности.

Природа в процессе эволюции всех форм жизни, начиная от предбиологических, стремится к состоянию равновесия, возможному в данных условиях - стремится к экстремумам иерархической энтропии и её производства. Как правило, в результате возникает динамическое равновесие как промежуточный этап на пути к пределу статического равновесия. Но достижение равновесных состояний есть тупик эволюции. Он либо реализуется как таковой и данная форма жизни неизбежно вымирает за большое или малое время (при изменении внешних или внутренних условий), либо преодолевается на основе принципа максимума производства энтропии и даёт скачок перехода жизни к новым таксономическим градациям.

Поступление энергии в живые системы есть условие их существования не потому, что, как обычно считается, свободная энергия Гиббса обладает какими-то уникальными способностями нейтрализовать (компенсировать) рост энтропии. Для возникновения и существования жизни подвод энергии важен потому, что разрешает рост энтропии выше предела, который существовал в неживой природе данной планеты при отсутствии на ней жизни

В частных случаях жизнь как информация об индивидууме может принимать "неживую" равновесную форму и сохраняться в равновесной форме в виде:

РНК и ДНК как статически равновесных химических молекул,

спор бактерий и простейших растений (или даже их семян),

половых клеток как динамического равновесия.

Один из результатов работ Эйгена заключается в введении понятия о гиперциклах. Гиперцикл есть форма выражения достаточно прозрачной общей идеи иерархичности как основы жизни. Но у Эйгена переход по ступеням иерархии гиперциклов волевой - путём изменения параметров "ценности информации" и списка "особых веществ".

В моих работах главное в том, что иерархичность возникает самопроизвольно. Ступени иерархии в моей терминологии oтображают плоскости . "Внутренность" ступени иерархии задана процессами, направленными в сторону равновесия. Переход между ступенями - принципом максимума производства энтропии-информации.

Предбиологическая эволюция М. Эйгена есть модель, ограниченная его предпосылками. В моих работах дана другая - более полная и исчерпывающая модель возникновения и эволюции жизни, то есть установлены границы предположений его модели. Как я многократно подчёркиваю в своих работах - модель, для которой известны границы применимости исходных предпосылок, есть единственно возможная в науке форма "абсолютной истины" [2] - [11]. Как математический аппарат модель Эйгена позволяет эффективно решать практические задачи. Они должны быть поставлены в пределах заданного уровня иерархии энтропии-информации и содержать в себе предпосылку - цель эволюции.

Предбиологическая эволюция формирует вещества, способные к самовоспроизведению на основе гетерокатализа. На стадии предбиологической эволюции в определении жизни важнейшее есть возможность разных равноправных вариантов самовоспроизводящихся систем - запомненных случайностей, ограниченных условиями. Это отражает важнейшее для возникновения и эволюции жизни на только на стадии предбиологической эволюции, но и в дальнейшем.

Возникновение жизни во Вселенной - ординарное воспроизводимое явление

Сегодняшние оценки возраста Земли как планеты достигают величины в 4,8 миллиарда лет. Общепризнанно, что возникновение первых водоёмов произошло 3,8 миллиарда лет назад. Температуры в них тогда были больше современных. Можно спорить, идёт ли речь о 80 - 100 ^оС тепла или о 250 - 350 ^оС. Геология свидетельствует, что уже тогда цикл превращений углерода на Земле контролировался простейшими живыми организмами в планетарных масштабах их количеств.

Например, на основе геологических исследований достоверно установлено, что в столь древних морях был углерод в виде органических соединений живого происхождения. Такие подробные исследования были проведены в формации Исуа в Гренландии.

Было рассмотрено, почему в живых организмах существует дефицит тяжелого изотопа углерода ¹³C по отношению к его концентрации в неживых объектах. Величина этого дефицита d¹³C--=--26--`--7% . Она определяется симметриями в шестимерном фазовом пространстве и отражает предел накопления ошибок в квазикристаллических структурах, ответственных за существование жизни. Наблюдения показывают, что величина дефицита остаётся постоянной как для современной жизни, так и в прошлом. Однако в породах формации Исуа существует дефицит: d<sup>13</sup>C--=--13--`--4,9%. Считается, что это количественное отклонение - артефакт, вызванный последующим метаморфизмом пород. Возможно так оно и есть. Но нельзя исключить, что этот дефицит имеет причины, которые принципиальны для биохимии возникновения жизни.

Как подчеркивалось, комплекс аминокислот и нуклеотидов при возникновении жизни не мог быть полностью тождественными с существующим в живых организмах сегодня, так как сильно отличались физико-химические условия. Но другому биохимическому комплексу должны отвечать изменённые квазикристаллические структуры. Им неизбежно соответствует другой предел накопления малых ошибок в симметрии, вызванных размерами атомов тяжелого изотопа углерода. Его выражает величина дефицита ?¹³C. Если она для углерода в формации Исуа другая, то это может быть доказательством важнейшего - конкретные детали биохимической основы возникновения и современного развития жизни не тождественны.

Исследований такого рода не проводилось, хотя они принципиально интересны - отличие d¹³C для формации Исуа есть артефакт или в нём хотя бы в виде составляющей присутствует реальность? Ответ на этот вопрос (даже только психологически) чрезвычайно важен. Независимо от этого, сам факт существования в отложениях бывших гренландских водоёмов дефицита изотопа ¹³C позволяет утверждать, что первичные формы жизни возникли одновременно с первыми водоёмами около 3,8 миллиарда лет назад (что признано в литературе).

Сегодня известно много видов микроорганизмов, возраст которых 3,3 - 3,5 миллиарда лет. Нельзя игнорировать геологические масштабы формаций, состоящих из строматолитов и микрофоссилий, которые есть остатки совсем непростых форм жизни, представленной сотнями родов и видов. Их возраст около 2 миллиардов лет. Они по уровню морфологической сложности должны быть ДНК-содержащей жизнью.

Это и другие геологические данные достоверно указывает, что в масштабах времени существования Земли как планеты жизнь возникла практически "мгновенно" и в очень короткое время приобрела количественно такие масштабы, что стала влиять на геологию верхнего слоя земной коры (см. [50] - [52]) и атмосферу в целом. Геологические данные показывают (в частности, на примере строматолитов), что даже, если жизнь (и её конкретные формы) возникла однократно в единственной зоне Земли (что не бесспорно), то далее по геологическим регионам образовалась выраженная дифференцировка её похожих форм.

Иерархия абиогенно синтезированных соединений была дана на рис.3. Они ещё только химические, то есть синтезируемые в процессах-прототипах обычной химической технологии. Одно из условий при синтезе предбиологических соединений углерода и возникновении жизни - восстановительная атмосфера с большим содержанием серы и высокими температурами (по отношению к современным).Существование сегодня на Земле форм жизни, выдерживающих около 100 градусов Цельсия, есть факт. Дискуссии (включая эксперименты) о существовании простейших форм жизни при 250 - 300 ^оС были. Поэтому понятие "первичный бульон" допускает условия, гораздо более суровые, чем у биологов ассоциируются с питательной средой. Предбиологические соединения углерода типа рис.3 синтезируются физико-химическими способами, а потому высокие температуры и давления для этого скорее необходимы, чем безвредны. Астрономия, физика, геология, биохимия, известные палеонтологические факты настойчиво указывают, что суровые для сегодняшней жизни условия надо относить не столько к "терпимым" при зарождении жизни, сколько к необходимыми.

Гетерокатализ с помощью одних из РНК дополнительных продуктов, которые они сами использовать не могут, но которые в силу принципа структурной комплементарности могут быть необходимы для реакций с участием других РНК, разрешает широкий круг "проб и ошибок" - повышает вероятность самопроизвольного возникновения самовоспроизводящихся РНК и ДНК. Принцип структурной комплементарности не есть эвристическое "чудо", а отражает закономерности фазового пространства. В других условиях он обязательно имеет отличия комплекса подчиняющихся ему веществ. Повторю ещё раз - палеонтологически достоверно, что ДНК-содержащие формы жизни в планетарных масштабах возникли "мгновенно" после геологического образования Земли. Условия тогда не были и не могли быть тождественными современным.

Источник и причина возникновения жизни есть второе начало термодинамики. Стремление к максимуму энтропии, принцип максимума производства энтропии, не позволяющий предбиологической эволюции упереться в тупики равновесия, принцип структурной комплементарности - иерархия синтеза информации - задают, что в определённых условиях (неизбежно реализующихся для планетных систем многих звёзд) возникновение жизни есть ординарный высоковоспроизводимый процесс, имеющий общую основу с реализованным на Земле.

Жизнь в сопоставимых формах с Земной возникала и возникает во Вселенной многократно, на общей предбиологической основе, обязательно с участием именно углерода. Даже кремнийорганические формы жизни во Вселенной невозможны.

Причина в том, что экстремумы энтропии очень острые. Конкретный максимум S_Men , реализуемый углеродом, не есть в этом исключение.

Таблица 1

Острота этого максимума гарантирует для разных объектов во Вселенной предбиологическую эволюцию на основе соединений углерода в её сопоставимых с земными формах. Это задано уровнями иерархии роста энтропии, приводящими к физическим законам и к таблице Менделеева, а в ней к уникальности углерода как её элемента. Однако в пределах этого максимума условия влияют на его конкретное выражение. В масштабах величины самого максимума эти изменения пренебрежимо ничтожны. Для человека как наблюдателя, являющегося элементом этого максимума, - заметны.

Образование планетных систем - воспроизводимый обязательный процесс. В первой книге этого цикла [11] показано, что введение уравнения состояния и меры информации в механику делает планетные системы аналогами атомов. Формирование "пылевых колец", а потом на их основе планет - закономерно для систем с притягивающим массивным телом. Современная астрономия это подтверждает наблюдениями и расчётными моделями.

В таблице.1 приведены данные об известных сегодня планетах около звёзд, которые в космических масштабах находятся близко от Солнечной системы - на расстояниях до 60 световых лет. Обращают на себя внимание крупные планеты, имеющие малые периоды обращения, находящиеся на расстоянии от центральной звезды меньшем, чем для Меркурия в Солнечной системе. Величина массы звёзд, около которых найдены планеты, близка к массе Солнца. К концу 1999 г. открыто 30 планетных систем звёзд. Их поиски продолжаются.

Итог этих исследований - планетные системы во Вселенной есть достоверный, частый, ординарный факт. Конечно, наблюдения малых планет с размерами порядка земных, труднее. Но такие результаты уже есть. Использованная в этих открытиях методика измерения частотных сдвигов излучения допускает повышение точности. Напомню, что около полустолетия назад обнаружение планет у звёзд проводилось путём многократного измерения на фотопластинках микронных сдвигов изображения звезды. Достоверность результатов была ничтожна.

Эволюция звёзд и их планет, сопровождающаяся остыванием - обязательна. Связи, определяющие существование РНК, слабые. Поэтому снижение температуры среды, неизбежное в процессе геологической эволюции планет, коррелирует с требованиями усложняющихся гетерокаталитических реакций с участием РНК, а потом и ДНК. Вселенная должна была бы "кишеть" жизнью, сопоставимой с Земной как болота комарами. Но это явно не так.

Причина не во втором начале термодинамики (как это считают, обосновывая исключительность человека во Вселенной), а в радиационных условиях в рукавах галактик, где во Вселенной сосредоточено большинство звёзд.

На роль в возникновении и эволюции жизни во Вселенной положения звёзд по отношению к их скоплениям впервые указал Л.С. Марочник [53] и я ранее в [4] подчеркивал важность его работ. Эволюция звёзд неизбежно приводит к катаклизмам, известным как вспышки сверхновых звёзд. В рукавах галактик плотность звёзд высокая. Возникающая при этих вспышках мощная жёсткая радиация пронизывает огромные области, включающие в себя множество звёзд с планетными системами. На какой бы стадии собственно биологической эволюции не находилась бы жизнь на планетах этих звёзд, её дальнейшая эволюция прерывается - мощная жёсткая радиация уничтожает жизнь.

В силу витальных последствий взрывов сверхновых жизнь может длительно эволюционировать преимущественно для звёзд, которые движутся по круговым орбитам вокруг центра галактик, пересекая их рукава с интервалами в сотни миллионов лет. Именно такой звездой является наше Солнце. Но таких звёзд относительно мало. По принципу реализации их орбит они обязательно далеко удалены друг от друга. Это, а не второе начало термодинамики, ограничивает число звёзд, на планетах которых есть жизнь, и возможности контактов между ними.

Изложенное выше позволяет утверждать, что (с малыми отклонениями) известные нам земные предбиологические условия универсальны для возникновения жизни на других планетных системах. Для сложных форм дальнейшей эволюции жизни условия более узкие, чем предбиологические. Поэтому частота возникновения жизни во Вселенной должна быть выше, чем частота случаев её эволюции, доходящей до сложных многоклеточных организмов.

Однако иерархически многоступенчатая эволюция жизни остаётся высоко вероятной потому, что принцип структурной комплементарности гарантирует возможность саморегулирующегося экологического воздействия жизни на геофизику планет, которое необходимо для перехода по ступеням иерархии. Примеры подобного в истории Земли - от образования залежей строматолитов до кислородной атмосферы как результатов метаболизма простейших форм жизни. Кислород ограничил экологические ниши его создателей, но он создал условия для перехода на следующие иерархические ступени эволюции жизни.

Общеизвестно влияние жизни на геологию Земли как одной из планет. Образование не только кислородной атмосферы, но и известняков, нефти, угля, природного газа, запасов железных руд (масштабов Курской магнитной аномалии) - это планетарные геологические процессы с участием первичных форм жизни. Однако остаётся недостаточно подчеркнутым, что если на определённом этапе геологической эволюции планеты жизнь не возникла, то дальнейшее физико-химическое развитие этой планеты неизбежно пойдёт по другому пути, на котором условия будут другими и, вероятно, жизнь на этой планете уже никогда возникнуть не сможет.

Планетарные геофизические теории, объясняющие почему развитие близкой по всем параметрам к Земле планеты Венера (в частности её атмосферы) пошло по пути, несопоставимому с земным и с возникновением жизни, были разработаны сразу после первых полетов к ней космических аппаратов. Они аргументированы и, казалось бы, достоверны. Но, несмотря на это, нет ответа на вопрос - если бы жизнь на Венере всё-таки возникла, то не повлияло бы это на её геофизику настолько существенно, что планета и сейчас (или в будущем) была бы пригодна для жизни? Нет ответа и на вопрос - не есть ли существующие сейчас геологические условия на Венере (высокие давления, температуры, обилие серы и её соединений [54]) более близкими к необходимым для возникновения жизни, чем это обычно кажется?

Топографическая карта Марса, полученная в самое последнее время [55], показывает на нём воронку от удара метеорита, которая имеет глубину около 15 км и ширину порядка расстояния от Москвы до Новосибирска. Дно этой воронки плоское, подобное дну водоёмов. Валы выброса породы из неё изменили профиль целого полушария Марса. Отражение ударной волны от поверхности противоположного полушария сформировало на нём горы.