вторник, 22 января 2019 г.

Биологический интеллект


Еще в 2006 году при анализе образцов глубинного бурения из Южной Африки ученые обнаружили бактерий, использующих водород как источник энергии для жизни.

Давайте прикинем: что, с точки зрения бесстрастного химика, объединяет все живое на Земле? 

• Дыхание? 
Если понимать под ним окисление пищи кислородом, тогда нет, конечно. Кислород на планете появился лишь благодаря сине-зеленым водорослям, и произошло это, когда миллиард лет эволюции был уже позади. Весь этот миллиард наши предки отлично обходились без кислорода: можно ведь окислять еду любым подвернувшимся под руку окислителем.

• Может, использование энергии солнечных лучей? 
Вообще мало кто это умеет делать, кроме растений и тех же цианобактерий, занимающихся фотосинтезом.
Но, собственно, фотосинтез даст нам подсказку: суть его в том, чтобы добывать из воды водород, отнимать у него электроны и привешивать их на молекулу углекислого газа. Такой обвешенный электронами углекислый газ легко и просто превращается в сахар. И вот этот сахар мы как раз уже и едим, то есть окисляем кислородом (в процессе дыхания), выбрасывая в качестве отходов ту же воду.

Перескажем эту историю уж совсем кратко: суть жизни в том, чтобы отнимать у водорода электроны и медленно, постепенно, смакуя каждый этап, передавать их куда-нибудь с постепенным выделением энергии.

Как известно из физики, все превращения энергии описываются термодинамическими законами, которые при правильно сформулированных физических ограничениях и адекватных физических моделях применимы и для жизненных процессов.

• Так что это в физической основе? 
Затраты на работу по изменению непосредственной окружающей среды (в биохимических процессах поглащения энергии электрона и протона - т.е. атома водорода). 
Так вот, работа по усвоению этой энергии и ее запасание в виде АТФ, должна быть постепенной и по этому непосредственная окружающая среда - на расстоянии нескольких ангстрем - усложняется за счет образования цепочки белков-передатчиков. 
Но энергия имеет тенденцию рассеиваться или распространяться с течением времени. 
Энтропия - мера этой тенденции, определяющая, как распределенная энергия находится среди частиц в системе, и насколько диффузны эти частицы во всем пространстве.

Эрвин Шредингер, лауреат Нобелевской премии за свою работу в области квантовой физики и известный автор эксперимента «Шредингер-кошка» в книге "Что такое жизнь?" представил идею о том, что жизнь избегает быстрого распада в инертном состоянии равновесия (распад до максимальной энтропии или смерти другими словами), потому что она «питается отрицательной энтропией».
Как ни парадоксально, существенная вещь в обмене веществ заключается в том, что организму удается освободиться от всей энтропии, которую он не может продлить пока жив.

Живой организм - это открытая система, но если ее рассматривать вместе с внешней средой, то они образуют общую закрытую систему. 

Равновесие в изолированной, замкнутой системе характеризуется в рамках классической термодинамики, энтропия возрастает при усложнении живого. Значит, если система «уклоняется» от равновесия, то она должна постоянно компенсировать производство энтропии какой-то энергией, с точки зрения физики - своей свободной энергией:
F=U-TS 
Внутренняя энергия системы U равна сумме свободной (F) и связанной энергии (TS): 
U=F+TS
где F - свободная энергия, S - энтропия, U - внутренняя энергия системы, TS - связанная энергия.

Уже из этого простого физического соотношения вытекает представление, что уменьшение энтропии (возникновение отрицательной энтропии - негэнтропии) в живом организме при взаимодействии его с окружающей средой связано с ростом свободной энергии. 
В живом организме уменьшается энтропия при росте свободной энергии, которая нужна для энергетических процессов в нем, а в окружающей среде она растет.
Термодинамика говорит, что увеличение свободной энергии происходит с упорядочением системы, ее усложнением и отклонением от равновесия.

Отсюда можно сделать два вывода: 
• Первый - энтропия для живого организма не нужна, для выполнения его целевых функций нужна свободная энергия и он за нее «борется», а ненужную, бесполезную для него энтропию «сбрасывает» в окружающую среду. 
• Второй - из этого же термодинамического подхода следует, что для выполнения любой работы необходим избыток энергии.

Следовательно: Оба эти определения можно сочетать через фреймируемое условиями окружающей среды (накопление информации о ее состоянии) поведение системы, направленное на поддержание неравновесного состояния через обмен веществ (поддержание гомеостаза в обособленной системе). 

Жизнь - это способность некоего фрагмента информации ("репликатора", information vehicle) к самокопированию с использованием ресурсов внешней среды.
Кстати саморепликация (или воспроизводство в биологических терминах), процесс, который стимулирует эволюцию жизни на Земле, является одним из таких механизмов, благодаря которым система может рассеять все большее количество энергии в течении долгого времени. 
Отличный способ рассеять больше - сделать больше копий себя.

Для того, чтобы остаться неравновесной, т.е. сохранять способность жизни адаптироваться изменением своей стресс-релизинговой реакции к изменениям окружающих условий - т.е. оставаться живой - система должна иметь возможность оценивать последствия своих взаимодействий с этими самыми условиями. 
Такая возможность связана и с формированием возможности сохранять память о прежних опытах такого взаимодействия и с возможностью их анализировать!

Если рассматривать живой организм не как физическое тело, а как целостный индивид, совершающий приспособительное поведение, следует признать, что он отражает мир опережающе, его активность в каждый данный момент - не ответ на прошлое событие, а подготовка, обеспечение будущего.

Информация - это оценка неопределенности. 

Накопление информации как понижение уровня неопределенности развития ситуации.
И именно так она и передается, определяя варианты ответной поведенческой реакции системы на возбуждение! 

Естественный отбор в высшей степени озабочен минимизацией термодинамической стоимости вычисления и делает все возможное, чтобы сократить общее количество вычислений.

Иными словами:
• В основе деятельности живых существ, лежит своего рода физика, а смысл и намерение — которые считались определяющими характеристиками живых систем — тогда могут естественным образом возникать по законам термодинамики и статистической механики;
• Живые организмы можно рассматривать как объекты, которые приспосабливаются к окружающей среде с помощью информации, поглощая энергию и тем самым уклоняясь от равновесия;
• Эволюция путем естественного отбора сама по себе есть лишь частный случай более общего императива по отношению к функции и очевидной цели, который существует в чисто физической вселенной;
• Адаптация (главный стимул дарвиновской эволюции) может происходить даже в сложных неживых системах, приспосабливая объект эффективно поглощать энергию из непредсказуемой, изменчивой среды.

Если к вышеназванному добавить результаты новейших исследований в области «термодинамики вычислений», получим следующее:
• Сложные структуры приспосабливаются к изменчивой среде путем хранения информации;
• Поскольку такие структуры — живые или нет — вынуждены эффективно использовать доступную энергию, они с большой вероятностью становятся «механизмами прогнозирования»;
• Базовые особенности обработки информации живыми системами, в отсутствие эволюции или репликации, уже обусловлены неравновесной термодинамикой;
• Более сложные черты — скажем, использование орудий или социальное сотрудничество — казалось бы, должны обеспечиваться эволюцией, но нет: они могут рассматриваться, как результат проявления «каузальной энтропийной силы» — своего рода желания системы частиц (направляющее ее поведение) сохранить свободу действий в будущем;
• Старение является физическим, а не биологическим процессом, которым управляет термодинамика информации (компромисс между точностью и энергией при копировании информации, заставляющее тратить все большее количество энергии на исправление ошибок);

Именно в усложнении поведения по отношению к окружающей среде, необходимого для поддержания гомеостаза с окружающей средой в системе, из физических компонентов, связанных в своих изменениях причинно-следственными связями, и состоит "повышение инормационной насыщенности системы", а так же и повышение интеллектуальности ее "пользователей".

То есть возникновение разума в эволюции неизбежно у вида, который обладает набором необходимых предпосылок. А из животных такие предпосылки были только у животных, у гоминид. 
В этих же рамках виден и общий вектор, относительно направленный на повышение "интеллектуализации экосистемы" - т.е. ее способности сохранять память о прошлых изменениях и предотвращать возможность развития самых проигрышных направлений - т.е. это и есть то самое повышение эффективности двигателя Карно.

И все это определяется лишь физическими законами мироздания, опосредованные отражения которых в осколках нашего несовершенного мировосприятия мы сегодня называем химией, биологией и т.д.

Комментариев нет:

Отправить комментарий