Жизнь - иерархический синтез информации

Первичная структура РНК или ДНК задана последовательностью нуклеотидов в них. Вторичная структура ДНК - это и есть знаменитая двухзаходная спираль, открытая Дж. Уотсоном и Ф. Криком. По своим физическим свойствам молекула ДНК действительно есть апериодический кристалл как это определил Э. Шрёдингер [49].

Законы природы выражаются не только с помощью координат в геометрическом пространстве (конфигурационном пространстве), но и содержат в себе движение как неустранимую особенность всех её объектов [11]. Для полного описания природы поэтому необходимо использовать 6N-мерное пространство конфигурационных координат и координат движения - механических импульсов. Это пространство (в терминах физики - фазовое пространство) абстрактно и трудно понимаемо. Но именно оно есть объективная реальность природы. В шестимерном (строго - 6N-мерном) пространстве понятия симметрии и "кристаллов" включают в себя повторяемость одинаковых упорядоченных форм. Однако человек не может наглядно представить объекты в шестимерном фазовом пространстве. С помощью своих органов чувств он воспринимает объекты в трёхмерном геометрическом пространстве. Это означает в терминах математики и физики, что он воспринимает объекты как сечения шестимерного пространства трёхмерной поверхностью. Это аналогично проекции трёхмерных предметов на плоскость

Проекция шестимерного пространства на геометрическое трёхмерное пространство в строгих терминах математики и физики и есть квазикристалл - апериодический кристалл. Он содержит однозначные пространственные закономерности, но в них нет наглядной для человека периодичности трёхмерных кристаллов. Человек не воспринимает зрительно симметрии в 6N-мерном пространстве. Слово - апериодический кристалл - точно описывает такой объект. При жизни Шрёдингера описание квазикристаллов ещё только зарождалось. Работа, отражённая в этой книге, придаёт определению Шрёдингера строгий смысл.

Область взаимно комплементарного перекрытия диапазонов случайностей для двух классов соединений углерода - белков и нуклеиновых кислот - это и есть жизнь во всех её формах, сочетающих простоту фундаментальных принципов с изощрённой сложностью деталей.

Прочтите обзоры литературы о биохимических и биофизических основах жизни, например [69]. Вы найдёте в них вопросы и примеры, ответы на которые даёт изложенное в этой книге. Одновременно приведенные в них подробности дают детальное подтверждение принципам, положенным в основу этой книги и предыдущих работ [2] - [11].

Доброжелательный, антагонистический и самоубийственный симбиоз

Переход от одних объектов к другим, который происходит на основе принципа максимума производства энтропии, означает, что объекты предыдущего уровня иерархии как целое взаимодействуют между собой, а потом "прячут" накопленный ими беспорядок в объекты следующего уровня иерархии. Они опять как целое взаимодействуют между собой и так далее. В этом участвуют условия принципа структурной комплементарности - продукты предыдущего уровня иерархии с большой вероятностью оказываются необходимыми для объектов следующего уровня. Аналогичное может происходить и при взаимодействиях объектов внутри уровня иерархии. Поэтому феноменологическим отображением иерархии синтеза информации и иерархического ряда для энтропии-информации, является симбиоз, о котором говорилось в этой главе Жизнь всегда, во всех формах и видах, на всех уровнях от внутриклеточного до биогеоценозов основана на симбиозе.

На уровне иерархии, описываемом адиабатическим инвариантом K_k , синтезирована информация. Её материально выражают объекты, которые возникли на этом уровне иерархии - клеточные органеллы или степь как составляющая природного ландшафта, органы в виде печени и сердца или виды животных как волки, зайцы, и т.п. Случайности на каждом из этих уровней иерархии приводят к синтезу новой информации, которая материализована в виде новых объектов. Слово симбиоз описывает взаимодействие этих объектов. Но его смысл неоднозначен.

В биологии симбиозом преимущественно называют взаимодействия, когда объекты "доброжелательно" необходимы друг другу. Из рассказанного в этой главе понятно, что возникновение генетической информации есть, в частности, результат "доброжелательного" симбиоза.

В процессе эволюционного образования клеток при переходе от РНК к ДНК такой симбиоз есть основа большинства наблюдаемых живых структур и процессов. Многоклеточный организм есть симбиоз объектов в виде клеток с разной специализацией (как следующая ступень иерархии синтеза информации). Ещё более сложные организмы есть симбиозы дифференцированных внутренних органов и систем. Наиболее привычно понятие симбиоз по отношению к "доброжелательной" необходимости друг другу самостоятельных организмов.

Случайность, которая ограничена условиями, является источником симбиоза. Но если работает случайность, то она обязательно должна включать в себя альтернативный вариант, когда взаимодействия при симбиозе "антагонистические". На клеточном уровне или на уровне внутри сложных организмов "доброжелательный" симбиоз есть эквивалент известной в теории регулирования положительной обратной связи, а "антагонистическое" взаимодействие - эквивалент отрицательной обратной связи. Такие противоположные проявления симбиоза становятся основой, например, всех способов гормонального регулирования в организмах или регулирования с помощью внешних гормонов - феромонов -в сообществах насекомых

Антагонистический симбиоз широко представлен на уровне самостоятельных организмов. Это взаимоотношения "хищник - жертва", которым посвящено много математических работ [70] - [72].

Первобытный человек выжрал вокруг своих стойбищ всех крупных животных, спалил около них леса из-за неосторожного обращения с огнем. И (как я подробно объяснял в [2] - [10]), стал от этого ... только умнее, так как вызванное этим удлинение охотничьих походов создало в доступе к женщинам преимущества более слабым членам племени, остающимся на стойбищах. Среди них было больше тех, у которых давление мужских половых гормонов на рост мозга больше, чем на рост силы. Отбор использовал это как направление роста мозга.

Положительные эффекты человеческой экологической небрежности на первобытном уровне (и даже в более развитом собственно человеческом древнем обществе) были возможны потому, что антагонизм человека и окружения не выходил за пределы случайностей, подчиняющихся принципу структурной комплементарности. В работах Г.А. Заварзина [73] подробно рассмотрено, почему многие современные экологические проблемы (например, техногенный выброс двуокиси углерода и вызванный им парниковый эффект) могут быть решены не только остановкой электростанций и заводов, но и за счёт использования особенностей (в терминах этой работы) симбиоза в природе, когда речь идет о веществах, удовлетворяющих принципу структурной комплементарности.

Например, производство углекислоты в природных системах больше, чем дают электростанции и заводы, созданные человеком. Но для максимальной скорости роста зеленой массы растений необходима большая концентрация углекислоты, чем существующая сегодня. Поэтому растения способны саморегулировать земную атмосферу и поглотить техногенную углекислоту, если не уничтожать леса. Растворение углекислоты в воде морей и океанов с помощью жизнедеятельности организмов в них выводит углекислоту из атмосферы, включая её в состав известняков. Практически мономолекулярная плёнка нефти, образовавшаяся на всех океанах и морях, блокирует это. Парниковый эффект может сильно навредить человеку, но не прервёт эволюцию жизни на Земле, так как он приводит к изменениям, не выходящим за пределы веществ и условий, подчиняющихся принципу структурной комплементарности.

Однако деятельность человека создала продукты и процессы, для которых принцип структурной комплементарности неприменим. Более того, техника стала производить в массовых количествах химические элементы и продукты, которые убийственны для жизни даже в ничтожных количествах. "Геофизический отбор" давно практически полностью уничтожил такие продукты на Земле, а потому, если биологический отбор и имел возможность сформировать защиту от них, то стимулов к этому не было. В результате симбиоз человека и окружающей природы стал "самоубийственным". Нет необходимости взрывать имеющиеся атомные бомбы для уничтожения на Земле всех форм жизни. Достаточно распылить малую часть плутония, который накоплен в них и для них.

"Цель" природы есть максимально возможный рост энтропии-информации - беспорядка. Уничтожение с помощью, например, атомных бомб или плутония (как такового) всех форм жизни на Земле этой "цели" не противоречит. Способен ли разум человека предотвратить это?

Выводы

В основе возникновения жизни лежат свойства углерода как реализации максимума иерархической энтропии-информации на уровне образования элементов таблицы Менделеева.

Энергетическая равноправность разных молекул РНК и ДНК есть источник случайностей для следующего уровня иерархии энтропии-информации, непосредственно ответственного за возникновение и существование жизни.

Принцип структурной комплементарности выделяет класс условия, ограничивающих случайности при синтезе информации о жизни.

Жизнь возникает во Вселенной с высокой вероятностью на единой основе соединений углерода и в сопоставимых формах.

Жизнь саморегулирует геофизический баланс планет, на которых она возникла.

Ограничения для возникновения и далеко продвинутой эволюции жизни во Вселенной создают расположение звёзд в галактиках относительно их рукавов и начальные физико-химические условия на принадлежащих им планетах.

Иерархию синтеза информации феноменологически отражает симбиоз на всех уровнях эволюции и существования жизни.

Генетический код с абстрактной математической точки зрения неоптимален. Его несовершенство есть источник случайностей, гарантирующих прогрессивную эволюцию жизни.