Что такое жизнь? Какой ее смысл и к чему она стремится? Где лежит граница между живой материей и мертвой? Как можно искать во Вселенной жизнь, которая отличается от нашей? До какой степени может развиться человечество и что нас ждет в будущем? Эти вопросы во многом считаются философскими, но что может ответить на них физика?
Термодинамическая теория жизни
Жизнь – это эмерджентное (возникающее) свойство системы из обычной материи. Любая живая система состоит из таких же атомов, как и не живой газ, подчиняется таким же законам физики, а отличается только более сложной организацией. Мы потенциально можем рассмотреть произвольную физическую систему и ответить на вопрос, присутствует ли у нее такое свойство, как “жизнь” или нет. То есть определить, является ли данная система живой или мертвой. Давайте разберемся, как это сделать.
Для начала рассмотрим вопрос, почему животные так сильно отличаются от камней такого же размера и массы? Почему молекулы белков на много сложнее, чем молекула, например, диоксида кремния (SiO2) в песке? Казалось бы, что это усложнение противоречит второму закону термодинамики, ведь энтропия отдельно взятой сложной малекулы ниже, чем у набора простых малекул из тех же атомов. Значит, сложная молекула со временем должна распасться на более простые. В принципе, это и происходит на практике – мы называем это смертью. Если взять животное (например, мышь) и поместить его в запаянную колбу, то есть всячески изолировать, то сначала (быстро) умрет само животное, а потом (медленно) начнут распадаться его белки на простые молекулы. Из этого мысленного эксперимента можно сделать общеизвестный вывод, что жизнь не может существовать в изолированной системе, что для жизни необходимы потоки (градиенты) энергии и энтропии. Значит живой может быть только открытая (не изолированная) система. Но как эта открытая система может защитить свои сложные структуры (белки) от распада?
С точки зрения термодинамики, любую живую систему можно рассматривать как естественную энтропийную машину. Если паровой двигатель создал человек для совершения полезной работы, при этом нагревая (увеличивая энтропию) окружающую среду в качестве паразитного явления, то жизнь появилась спонтанно для цели увеличения энтропии окружающей среды, то есть выравнивания градиентов энергии. Совершаемая при этом «полезная работа» идет на усложнение внутренней структуры живой системы.
Теплота – это вид энергии, тепловая энергия. Тепловой машиной общепринято называть двигатель, который для совершения работы использут градиент температур (два резервуара с разными температурами), например, двигатель Стирлинга. Но большинство двигателей используют энергию, полученную из химического топлева или электричества. Поэтому их монжно назвать более обобщенно: энергетические машины. Но еще более общим будет название “энтропийные машины”, потому что везде, где есть передача энергии, присутствует и передача (градиент) энтропии. Градиент энтропии может присутствовать и при постоянной температуре, и при этом его тоже можно использовать для совершения полезной работы. По этому энтропийные машины – это самый широкий класс двигателей.
Тепловая машина перекачивает теплоту, а энтропийная машина, по аналогии, перекачивает энтропию. Но теплота и энтропия связаны через температуру. Изменение энтропии dS = dQ/T, где dQ – изменение теплоты, T – температура. Например, такая тепловая машина, как холодильник, отбирает тепло у холодильной камеры: dQ < 0, значит и энтропия у холодильной камеры тоже снижается dS < 0. Так как температура, измеряемая в кельвинах, всегда остается положительной величиной (больше нуля), то знак у dQ и dS всегда одинаковый. При этом отобранное тепло от холодильной камеры, плюс энергия от источника питания, передается в откружающую среду, соответственно энтропия окружающей среды увеличивается. Таким образом, холодильник является энтропийным насосом, который перекачивает энтропию из холодильной камеры в окружающую среду. Но, так как КПД этого энтропийного насоса меньше 100%, то энтропия внешней среды повышается на бОльшую величину, чем уменьшается энтропия холодильной камеры, поэтому общая энтропия растет, в строгом соответствии со вторым законом термодинмики.
Таким образом, любую жизнь с термодинимический точки зрения можно рассмотреть по аналогии с холодильником. Жизнь – это тоже энтропийный насос, только естественный и с еще более низким КПД. Как холодильник увеличивает энтропию окружающей среды, но при этом снижает энтропию внутри холодильной камеры, так и живая система с крайне низким КПД перекачивает энтропию из себя наружу, тем самым медленно повышая свою сложность, то есть эволюционируя. Углеродная жизнь отличиется от холодильника тем, что холодильник превращает уменьшение энтропии в уменьшение температуры холодильной камеры при постоянной внутренней структуре, а углеродная жизнь превращает уменьшение энтропии в новые химические связи, то есть в усложнение внутренней структуры при постоянной температуре.
Общая энтропия живой системы и окружающей среды растет еще быстрее, чем от холодильника, так как КПД перекачки энтропии у жизни очень низкий. Действительно, современные научные работы говорят о том, что сама теория эволюции живых существ направлена на увеличение энтропии окружающей среды. Приведу переведенную цитату из работы Arto Annila, Stanley Salthe “Physical foundations of evolutionary theory”:
«С точки зрения физики жизнь в полном объеме можно понять в рамках второго закона как термодинамический процесс без линии демаркации между живым и неживым. Живые системы являются диссипативными системами с внутренними источниками информации.… Каковы бы не были детали макроэволюции на рассматриваемой планете, этот процесс приведет к такому распространению видов в природе, чтобы увеличить производство энтропии в этой природе».
В качестве очевидного подтверждения можно привести тот факт, что распространение растительности по пленете снижает ее альбедо, тем самым увеличивает тепловое излучение планеты (производимая энтропия пропорциональна количеству излучаемых тепловых фотонов).
По мимо медленного процесса эволюции, у любой жизни есть еще и быстрый процесс роста и размножения. Для простоты назовем этот процесс саморепликацией. Саморепликация является очень эффективным способом автокатализа, а значит и производства энтропии. Саморепликация на много быстрее в деле производства энтропии, чем эволюция, и является первостепенным инструментом в руках у живой системы. Не даром считается, что размножение является одним из основных признаков жизни, поэтому к элементарным живым частичкам относят самореплицирующиеся молекулы РНК и, в более сложном варианте, клетки.
Так как состояние с меньшей энтропией является не стабильным, то живая система для поддержания свой жизнедеятельности обязана работать и потреблять энергию. Если остановить этот энтропийный насос, то жизнь начнет разрушаться и, в итоге, умрет. Более того, живая система не может даже оставаться на том же уровне производства энтропии как раз из-за того, что КПД ее тепловой машины, хоть и низкий, но все же больше нуля. Значит жизнь, при благоприятных условиях, обязана усложняться, потреблять все больше энергии и производить все больше энтропии. Это относится как к бактерии, так и к человеку, так и к цивилизации. Потенциально, по уровню внутренней сложности или по удельной величине производства энтропии можно судить о степени развития (эволюции) жизни без относительно ее типа и состава. Поэтому классификация цивилизаций по шкале Кардашева (по уровню потребления энергии) является вполне обоснованной.
Так как энергия и энтропия связаны через температуру (dS = dQ/T), то для бОльшего производства энтропии тепловой машиной требуется более высокое энергопотребление. По этому мои фразы “увеличение энергопотребления” и “увеличение производства энтропии” являются синонимами, так как температура при этом постоянна. Также я говорю, что уменьшение энтропии живой системы равнозначно повышению ее сложности, потому что сложность мы определяем как удаленность системы от термодинамического равновесия. А удаленность от термодинамического равновесия – это удаленность от наиболее вероятного состояния, от состояния с наибольшей энтропией, от максимально “мертвого” состояния. При этом чем дальше система удалена от состояния термодинамического равновесия, тем она более дессипативна, то есть быстрее разрушается, поэтому для компенсации требуется больше энтропийных сил, то есть система должна производить больше энтропии.
Теперь мы готовы дать термодинамическое определение живой системы:
Жизнь – это энтропийная машина, которая совершает полезную работу для саморепликации и увеличения своей сложности таким образом, чтобы увеличивать производство энтропии. Произведенная энтропия передается окружающей среде. По удельной величине производства энтропии можно судить об уровне развития (эволюции) жизни.
Расширяем привычные границы живого
Такое термодинамическое определение жизни, как естественного энтропийного насоса, позволяет нам отойти от углеродного шовинизма и начать смотреть на жизнь более широко. Приняв это, можно попытаться рассмотреть с точки зрения экзобиологии самореплицирующиеся торнадо на Юпитере или даже конвективные ячейки на Солнце. Кстати, с точки зрения максимизации производства энтропии, любая жизнь просто обязана стремиться к крупным источникам энергии, поэтому идея поиска жизни именно на поверхности звезд звучит даже более разумной, чем на других планетах.
Если человечество когда-нибудь создадаст новую форму жизни, то это не значит, что это будут именно железные роботы, которые окажутся на столько самостоятельными, что обязательно восстанут против углеродных людей. Вполне возможно, что к новой форме жизни уже сейчас можно отнести сложные структуры, в которых люди продолжают играть ключевые роли, например, корпорации и государства. В этом случае живая система будет включать в себя людей, но образовывать более сложный организм, по аналогии с тем, как сам человек состоит из более простых клеток.
А теперь я предлагаю рассмотреть биткоин как такую более сложную живую систему, включающую в себя и людей, конечно, тоже. Все признаки живой системы на лицо: майнинг потребляет электроэнергию и производит энтропию в виде тепла, система эволюционирует – создаются более производительные майнеры (ASIC), при этом потребление электроэнергии постоянно растет. Присутствует даже саморепликация в виде производных криптовалют (форков). Более того, как и любое живое существо, генерацию новых блоков блокчейна нельзя поставить на паузу – остановка равносильна смерти. Однажды “запущенный” в интернете код биткоина в далеком 2009 году продолжает жить и развиваться по сей день. Когда же правительства пытаются помешать биткоину – они лишь сокращают его хешрейт (популяцию), но не убивают полностью. Если же особо не мешать, то хешрейт и производство энтропии будет только расти.
Майнинг криптовалют в космосе
У меня есть идея майнить криптовалюту в космосе. Не смотря на (пока еще) высокую стоимость вывода полезной нагрузки в космос, у этой идеи есть много практических плюсов. На подходящей (солнечносинхронной) орбите, солнечные панели производят до 8 раз больше электроэнергии, чем на Земле. Чипы можно охлаждать до низких температур, натягивая светоотражающие пленки (как у телескопа Джеймса Уэбба), тем самым повыщая их частоту работы. Майнеры на орбите будут эффективно работать более 10 лет, стабильно и без перерыва принося прибыль, не завися от изменения законов и политической ситуации в той или иной стране.
Для проблем экологии это тоже будет решением. Ведь человечество, как и любая жизнь, не может остановить рост потребления энергии. Но энергетический баланс Земли ограничен, поэтому рост потребления электроэнергии будет способствовать глобальному потеплению. Значит, единственный выход в долгосрочной перспективе – это перемещать потребителей электроэнергии в космос.
В будущем рои таких спутников-майнеров на солнечной орбите смогут создать рой Дайсона, переизлучая солнечный свет в виде длинноволнового теплового излучения, тем самым производя максимум энтропии в солнечной системе. В этом и может заключаться великий смысл существования нашей цивилизации.