Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

• При возведении храмов, синагог и мечетей люди составляют планы, собирают материалы, используют инструменты и оборудование, а также нанимают строителей и художников для создания сложной, «искусственной», «духовной» среды.

• Музыка и обряды — выражения динамической сложности в чистом виде.

В основе всего этого лежат сложные материальные структуры, меняющиеся во времени. В разных случаях структурированная материя принимает разные формы, начиная от нейронных сетей и заканчивая колебаниями воздуха, и включает разные элементы: инструментарий, символы, воспоминания, сигналы, инструкции, а также нас самих. Динамическая сложность — глубинная структура, лежащая в основе всего этого.

На протяжении большей части биологической и человеческой истории физическая реализация динамической сложности зависела от образования и разрыва огромного количества химических связей с использованием энергии Солнца. Сегодня открываются другие возможности, о которых я расскажу позже. Но образование и разрыв химических связей с помощью солнечной энергии — по-прежнему главный способ, и мы должны начать обсуждение с него.

КОМБИНАТОРНЫЙ ВЗРЫВ ПРИ ПОСТРОЕНИИ

У атомов множество функций, делающих их отличными строительными блоками для самых замысловатых творений.

• Существует много видов атомов, по одному на каждый химический элемент. Все атомы конкретного элемента практически идентичны[86]. Таким образом, в нашем распоряжении есть широкий ассортимент взаимозаменяемых деталей.

• Атомы доступны в огромном количестве. Напомню, человеческое тело содержит примерно октиллион (10²⁷) атомов, то есть больше, чем звезд в видимой Вселенной.

• Согласно правилам квантовой теории и законам электродинамики, атомы могут объединяться в более крупные единицы — молекулы и соединяться химическими связями.

Чтобы понять, как эти фундаментальные факты при благоприятных условиях могут привести к динамической сложности в больших масштабах, нам нужно осмыслить две важные концепции: комбинаторный взрыв и условную стабильность.

Комбинаторный взрыв в своей простейшей форме — резкий рост числа возможных вариантов, когда делается несколько независимых выборов. Например, заполнив девять разных клеточек любыми из десяти цифр, я могу получить числа 000 000 000, 000 000 001, 000 000 002… 999 999 999 — всего миллиард, то есть 10⁹ различных комбинаций. Десять и девять — маленькие числа, но 10⁹ — уже довольно большое. Такова сущность комбинаторного взрыва.

В ДНК мы можем выбрать любое из четырех азотистых оснований нуклеотидов (гуанин, аденин, тимин, цитозин, сокращенные обозначения — G, A, T, C) и прикрепить его в любом месте вдоль длинного сахаро-фосфатного остова (таких мест много тысяч). Точно так же при строительстве белков двадцать различных аминокислотных оснований прикрепляются к стандартным полипептидным цепям разной длины. Подобная архитектура обеспечивает возможность комбинаторных взрывов того же типа, что и при комбинациях из десяти чисел, только теперь элементов или 4, или 20. Таким образом, в последовательностях ДНК могут записываться невероятные объемы информации. Существует огромное количество белков, которые обеспечивают структурные и функциональные строительные блоки для живых организмов. Эти белки очень разнообразны по размерам и форме, и, соответственно, разнятся их механические и электрические свойства.

Молекулы других видов, как органические, так и неорганические, могут разветвляться, собираться в мембраны, образовывать петли или регулярные кристаллические структуры и проделывать многое другое. Это богатство возможностей приводит к комбинаторному взрыву комбинаторных взрывов. Всего один грамм вещества содержит миллиарды миллиардов атомов — и материала для обеспечения сложности в больших масштабах более чем достаточно. Поэтическая метафора Уильяма Блейка с «бесконечностью на ладони» имеет вполне научную основу.

ЗАРОЖДЕНИЕ СЛОЖНОСТИ

Чтобы реализовать потенциал этого материала, мы должны уметь собирать из него структуры. Мы хотим, чтобы наши атомные строительные элементы так же, как игрушечные кубики Lego, или блоки конструктора Tinker, или используемые на уроках химии модели атомов и молекул в виде шариков и палочек, легко соединялись друг с другом, легко разбирались, но не рассыпались. Это ключевое свойство, то есть условная стабильность, требует правильного баланса стабильности и изменчивости.

Химики изучают вопрос, что именно осуществимо с точки зрения молекулярной сложности, а биологи — вопрос, что же реализовано на деле. Их работа бесконечна и увлекательна. Идя на радикальные упрощения, я надеюсь на их снисходительность и чувство юмора. Здесь я опишу только то, чего достаточно просто для понимания, а именно как во Вселенной и, в частности, в системе Солнце — Земля «объединяются усилия» и как это делает создание причудливых структур материи возможным.