Жизнь начинает выглядеть не столько как результат химического и физического процесса, сколько как вычислительный процесс
Автор: Девид С. Крокер
Что делает вычисления возможными? В поисках ответа на этот вопрос инженер-технолог с другой планеты отправляется на Землю в XXI веке. Спустившись через нашу атмосферу, этот внеземной исследователь направляется в один из крупнейших на нашей планете центров обработки данных — информационный парк China Telecom-Inner Mongolia, расположенный в 470 километрах к западу от Пекина. Но в этом разросшемся мини-городке серверных ферм вычисления обнаружить не так-то просто. Сканируя почти несчетное количество транзисторов в информационном парке, приезжий инженер может подумать, что ответ на его вопрос кроется в основных материалах, из которых производятся вычисления: кремнии и оксидах металлов. В конце концов, с 1960-х годов большинство вычислительных устройств работают на транзисторах и полупроводниках, изготовленных из этих металлоидных материалов.
Если бы инопланетный инженер побывал на Земле несколькими десятилетиями раньше, до появления металлооксидных транзисторов и кремниевых полупроводников, он мог бы найти совершенно другие ответы на свой вопрос. В 1940-х годах, до появления кремниевых полупроводников, вычисления могли показаться свойством термоионных вентилей, изготовленных из вольфрама, молибдена и кварца — важнейших материалов, использовавшихся в компьютерах на вакуумных трубках.
А побывав на столетие раньше, задолго до эпохи современных вычислительных машин, инопланетный наблюдатель мог бы прийти к еще более странным выводам. Если бы он прибыл в 1804 год, когда был запатентован жаккардовый ткацкий станок, то мог бы сделать вывод, что ранние формы вычислений возникли из растительной массы и экскрементов насекомых, использовавшихся для изготовления деревянных рам, перфокарт и шелковых нитей для ткацких станков — аналоговых предшественников современных программируемых машин.
Но если приезжий инженер и придет к таким выводам, он будет неправ. Вычисления не возникают из кремния, вольфрама, экскрементов насекомых или других материалов. Они возникают из процедур разума или логики.
Эта спекулятивная история — не только о поиске инженера, живущего за пределами планеты. Это также аналогия с попытками человечества решить одну из самых сложных проблем — проблему жизни. Ведь как инопланетный инженер пытался бы понять вычисления через материалы, так и люди изучают наше далекое происхождение.
Сегодня сомнения в традиционных объяснениях жизни растут, и возникла волна новых общих теорий, призванных лучше определить наше происхождение. Они предполагают, что жизнь зависит не только от аминокислот, ДНК, белков и других форм материи. Сегодня она может быть смоделирована с помощью цифровых технологий, биологически синтезирована или сделана из совершенно иных материалов, чем те, которые позволили процветать нашим эволюционным предкам. Эти и другие возможности побуждают исследователей задаваться более фундаментальными вопросами: если материалы для жизни могут радикально меняться — как и материалы для вычислений, — то что остается неизменным? Существуют ли более глубокие законы или принципы, которые делают жизнь возможной?
Планеты подобные нашей, похоже, встречаются исключительно редко. Из тысяч, обнаруженных астрономами, только на одной есть признаки жизни. Земля — это, по словам Карла Сагана, «одинокое пятнышко в великой обволакивающей космической тьме». Это очевидное одиночество — постоянная загадка, с которой сталкиваются ученые, изучающие происхождение и эволюцию жизни: как возможно, что только одна планета продемонстрировала неопровержимые доказательства существования жизни, хотя законы физики едины для всех известных планет, а элементы периодической таблицы можно найти по всей Вселенной?
Ответ, по мнению многих, заключается в том, чтобы признать, что Земля действительно настолько уникальна, насколько кажется: отсутствие жизни в других местах во Вселенной можно объяснить, если признать, что наша планета физически и химически не похожа на многие другие планеты, которые мы официально идентифицировали. Только на Земле, как утверждается, были созданы особые материальные условия, способствующие нашей редкой химии, и произошло это около 4 миллиардов лет назад, когда впервые возникла жизнь.
В 1952 году Стэнли Миллер и его руководитель Гарольд Урей предоставили первое экспериментальное подтверждение этой идеи, проведя серию экспериментов в Чикагском университете. Эксперимент Миллера-Урея, как его стали называть, был направлен на воссоздание атмосферных условий ранней Земли с помощью лабораторного оборудования и на проверку возможности образования органических соединений (аминокислот) в воссозданной неорганической среде. Когда эксперимент удался, возникновение жизни стало привязано к конкретным материальным условиям и химическому составу нашей планеты миллиарды лет назад.
Генетическая эволюция также связана с решением проблем: крылья насекомых решают «проблему» полета
Однако более поздние исследования показывают, что существует бесчисленное множество других возможностей возникновения жизни из потенциальных химических комбинаций. Как недавно утверждали британский химик Ли Кронин, американский физик-теоретик Сара Уолкер и другие, поиск почти чудесных совпадений в химии может сузить наши возможности найти другие процессы, имеющие значение для жизни. На самом деле большинство химических реакций, независимо от того, происходят ли они на Земле или где-то еще во Вселенной, не связаны с жизнью. Одной химии недостаточно, чтобы определить, является ли что-то живым, поэтому исследователи, ищущие происхождение жизни, должны использовать другие методы для вынесения точных суждений.
Сегодня «адаптивная функция» является основным критерием для выявления тех видов биотической химии, которые приводят к возникновению жизни, как любит отмечать биолог-теоретик Майкл Лахманн (наш коллега из Института Санта-Фе). В науке под адаптивной функцией понимается способность организма биологически изменяться, эволюционировать или, говоря иначе, решать проблемы. Решение проблем может показаться более близким к области общества, культуры и технологий, чем к области биологии. Мы можем вспомнить проблему миграции на новые острова, которая была решена, когда люди научились ориентироваться в океанских течениях, или проблему прокладывания траекторий, которую наши виды решили, научившись рассчитывать углы, или даже проблему убежища, которую мы решили, построив дома. Но генетическая эволюция также связана с решением проблем. Крылья насекомых решают «проблему» полета. Оптические линзы, фокусирующие свет, решают «проблему» зрения. А почки решают «проблему» фильтрации крови. Такое решение биологических проблем — результат естественного отбора и генетического дрейфа — условно называется «адаптацией». Хотя он имеет решающее значение для эволюции жизни, новые исследования показывают, что он также может иметь решающее значение для происхождения жизни.
Такой подход к решению проблем радикально меняет наши представления о Вселенной. Жизнь начинает казаться не столько результатом химии и физики, сколько вычислительным процессом.
Идея жизни как некоего вычислительного процесса уходит корнями в IV век до нашей эры, когда Аристотель представил свою философию гиломорфизма, в которой функции превалируют над формами. Для Аристотеля такие способности, как зрение, были связаны не столько с биологической формой и материей глаз, сколько с функцией зрения. Потребовалось около 2 000 лет, чтобы его идея гиломорфных функций превратилась в идею адаптивных признаков благодаря работам Чарльза Дарвина и других ученых. В XIX веке эти натуралисты перестали определять организмы по их материальным компонентам и химическому составу, а вместо этого начали определять признаки, сосредоточившись на том, как организмы приспосабливаются и развиваются — другими словами, как они обрабатывают и решают проблемы. Потребовалось еще одно столетие, чтобы идея гиломорфных функций перешла в абстрактную концепцию вычислений благодаря работе Алана Тьюринга и более ранним идеям Чарльза Бэббиджа.
В 1930-х годах Тьюринг стал первым, кто связал классическую греческую идею функции с современной идеей вычислений, но его идеи были невозможны без работы Бэббиджа, сделанной за столетие до него. Важным для Тьюринга было то, как Бэббидж обозначил разницу между вычислительными устройствами, которые следуют фиксированным законам работы, которые Бэббидж назвал «дифференциальными двигателями», и вычислительными устройствами, которые следуют программируемым законам работы, которые он назвал «аналитическими двигателями».
Используя различие Бэббиджа, Тьюринг разработал наиболее общую модель вычислений — универсальную машину Тьюринга. В 1936 году он представил себе эту машину как магнитофон, состоящий из считывающей и стирающей головки, на которую подается бесконечно длинная лента. По мере прохождения ленты через машину на нее считываются или записываются отдельные биты информации (хранящиеся в машине). И машина, и лента совместно определяют, какой бит будет считан или записан следующим.
Постороннему человеку бывает трудно понять, как эти несопоставимые идеи связаны друг с другом
Тьюринг не описал ни одного материала, из которого можно было бы построить такую машину. Его мало интересовала химия, кроме физического требования, чтобы компьютер надежно хранил, читал и записывал биты. Вот почему, что удивительно, эта простая (хотя и бесконечная) программируемая машина является абстрактной моделью того, как работают наши мощные современные компьютеры. Но теория вычислений, разработанная Тьюрингом, может быть понята и как теория жизни. И вычисления, и жизнь включают минимальный набор алгоритмов, которые поддерживают адаптивную функцию. Эти «алгоритмы» помогают материалам обрабатывать информацию — от редких химических веществ, из которых строятся клетки, до кремниевых полупроводников современных компьютеров. Поэтому, как показывают некоторые исследования, поиск жизни и поиск вычислений могут быть не такими уж разными. В обоих случаях мы можем сбиться с пути, если сосредоточимся на материалах, химии, физических средах и условиях.
В ответ на эти опасения появился ряд разнообразных идей, призванных объяснить жизнь по-новому, с помощью принципов и процессов, общих с вычислениями, а не редкой химии и ранних земных условий, смоделированных в эксперименте Миллера-Урея. В основе этих идей, разработанных за последние 60 лет исследователями, работающими в различных дисциплинах, включая физику, информатику, астробиологию, синтетическую биологию, эволюционную науку, нейронауку и философию, лежит поиск фундаментальных принципов, которые управляют решением проблем. Хотя ученые работают в разных областях и их идеи кажутся несопоставимыми, мы считаем, что в их исследованиях о происхождении жизни есть общие закономерности. Однако стороннему наблюдателю бывает трудно понять, как эти, казалось бы, несопоставимые идеи связаны друг с другом и почему они имеют большое значение. Именно поэтому мы задались целью проанализировать и систематизировать эти новые способы мышления.
Их предложения можно сгруппировать в три отдельные категории, три гипотезы, которые мы назвали Трон, Голем и Мопертюи. Гипотеза Трона предполагает, что жизнь может быть смоделирована в программном обеспечении, не опираясь на материальные условия, которые привели к появлению живых существ на Земле. Гипотеза Голема предполагает, что жизнь может быть синтезирована с использованием материалов, отличных от тех, которые впервые привели в движение нашу эволюционную историю. И если эти две идеи верны и жизнь не привязана к редкой химии Земли, то у нас есть гипотеза Мопертюи, самая радикальная из трех, которая исследует фундаментальные законы, связанные с происхождением сложных вычислительных систем.
Эти гипотезы предполагают, что возникновением решающей проблемы материи управляют глубокие принципы, которые подталкивают наше понимание современной физики и химии к их пределам. Они означают радикальный отход от понимания жизни, какой мы ее знали раньше.
В 1982 году в США вышел научно-фантастический фильм «Трон». Режиссер Стивен Лисбергер рассказал историю о биологических существах, идеально и функционально продублированных в компьютерной программе. Герой, Трон, — человекоподобный алгоритм, живущий на схемах, который улавливает основные черты жизни, не прибегая к биотической химии. То, что мы назвали «гипотезой Трона», — это идея о том, что полностью реализованная симуляция жизни может быть создана в программном обеспечении, освобожденном от редкой химии Земли. Она задается вопросом о том, каковы могут быть принципы жизни, когда нет никаких химических следов, на которые можно было бы опереться в поисках подсказок. Являются ли основы жизни в первую очередь информационными?
Через пять лет после выхода фильма «Трон» на экраны кинотеатров американский компьютерщик Кристофер Лэнгтон на организованном им семинаре по моделированию живых систем представил миру концепцию, которую он назвал «искусственной жизнью» или «ALife». Для Лэнгтона ALife была способом сосредоточиться на синтезе жизни, а не на аналитических описаниях эволюционировавшей жизни. Он предложил ему способ выйти за рамки «жизни, какой мы ее знаем» и перейти к тому, что он назвал «жизнью, какой она могла бы быть». Его целью, по его собственным словам, было «воссоздание биологических явлений в альтернативных медиа», создание реалистичных сущностей с помощью компьютерных программ.
Лэнгтон использовал компьютеры в качестве лабораторных инструментов вслед за двумя математиками: Станислава Улама и Джона фон Неймана, которые оба работали над Манхэттенским проектом. В конце 1940-х годов Улам и фон Нейман начали серию экспериментов на ранних компьютерах, в которых моделировали рост с помощью простых правил. В ходе этой работы они открыли концепцию клеточных автоматов — модель вычислений и биологической жизни. Улам искал способ создать симуляцию автомата, который мог бы воспроизводить себя, подобно биологическому организму, а фон Нейман позже связал концепцию клеточных автоматов с поиском происхождения жизни. Используя эту концепцию, фон Нейман сформулировал вопрос о происхождении жизни так же, как ранее это сделал Тьюринг в отношении вычислений, — в поисках абстрактных принципов, управляющих тем, что он назвал «строительством»: то есть биологической эволюцией и развитием. Сложные формы конструирования создают паттерны, которые мы ассоциируем с жизнью организмов, такие как рост клеток или рост целых особей. Гораздо более простая форма построения может быть достигнута на компьютере с помощью операции копирования и вставки. В XX веке идеи фон Неймана о самовоспроизводящемся клеточном автомате, «универсальном конструкторе», считались слишком абстрактными, чтобы помочь нам понять химическое происхождение жизни. Кроме того, казалось, что они мало что могут сказать о таких биологических процессах, как адаптация и естественный отбор.
Компьютерная программа под названием Avida моделировала эволюционные процессы
Исследования ALife, последовавшие за работами Улама, фон Неймана и Лэнгтона, породили целый ряд увлекательных формальных и философских вопросов. Но, как и работа фон Неймана, эти вопросы оказали ограниченное и недолгое влияние на исследователей, активно работающих над происхождением жизни. В конце XX века несколько пионеров ALife, включая американского философа Марка Бедау, сетовали на отсутствие прогресса в решении этих вопросов во влиятельной работе под названием «Открытые проблемы искусственной жизни». Среди проблем, на которые Бедау и восемь его соавторов указали, были создание «молекулярного протоорганизма in vitro», достижение «перехода к жизни в искусственной химии in silico», демонстрация «появления интеллекта и разума в искусственной живой системе» и, среди прочего, оценка «влияния машин на следующий крупный эволюционный переход жизни».
Эти открытые проблемы остались без ответа, и появление этой работы совпало с упадком направления. После ее публикации многие авторы занялись другой научной карьерой, либо перейдя из искусственной жизни в смежную область эволюционной теории, либо занявшись исследовательскими проектами, связанными с химией, а не с программным и аппаратным обеспечением.
Тем не менее, в ALife было создано несколько очень сложных моделей и идей. В тот же год, когда Бедау и его коллеги выявили проблемы, другая группа исследователей продемонстрировала, каких высот достигла искусственная жизнь на рубеже веков. В своей научной статье «Эволюция биологической сложности» (2000) эта группа, возглавляемая теоретиком физики Кристофом Адами, написала о компьютерной программе под названием Avida, которая моделировала эволюционные процессы. Система Avida, — писали Адами и его соавторы, — содержит популяции самовоспроизводящихся компьютерных программ в сложной и шумной среде, в памяти компьютера». Они назвали эти программы «цифровыми организмами» и описали, как они могут эволюционировать (и мутировать) за считанные секунды благодаря запрограммированным инструкциям. Каждый организм Avida представлял собой единый симулированный геном, состоящий из «последовательности инструкций, которые обрабатываются как команды для центрального процессора виртуального компьютера».
Гипотеза Трона казалась многообещающей. Но в итоге работа Адами и других ученых внесла более важный вклад в популяционную генетику и теоретическую экологию, чем в исследование происхождения жизни. Эта работа помогла соединить фундаментальные теоремы в области вычислений с абстрактными биологическими понятиями, такими как рождение, конкуренция и смерть, но не разрушила власть пребиотической химии над доминирующими представлениями о жизни.
В последние годы ситуация начала меняться, поскольку новые концепции из физики расширяют стандартную гипотезу Трона. В 2013 году физик Дэвид Дойч опубликовал работу о том, что он назвал «теорией конструкторов». Эта теория предлагала новый подход к физике, в котором вычисления были основой Вселенной, на более глубоком уровне, чем законы квантовой физики или общей теории относительности. Дойч надеялся, что теория обновит доминирующие идеи в традиционной физике, создав более общую структуру, которая устранит многие недостатки, особенно в отношении квантовой механики и статистической механики, и одновременно установит основополагающий статус для вычислений. Он также хотел сделать все это, обеспечив строгую и последовательную основу для возможных и невозможных преобразований, которые включают такие явления, как перемещение тела в пространстве или переход от безжизненной к живой планете. Теория конструкторов не предоставляет количественной модели и не предлагает предсказаний того, как будут происходить эти трансформации. Это качественная основа для разговора о возможностях; она объясняет, что может и чего не может произойти во Вселенной таким образом, который выходит за рамки законов обычной физики. Теория Дойча — это провокационное видение, и остается много вопросов относительно ее полезности.
Теория Дойча основывается на модели фон Неймана о строительстве и репликации жизни — первоначальной гипотезе Трона, — которая, в свою очередь, построена на модели вычислений Тьюринга. С помощью теории Дойча мы начинаем отходить от принципов симуляции, которые реализуются через организмы Avida и эволюцию на основе кремния, и переходим к более широким концептуальным идеям о том, как может формироваться жизнь. Теория конструкторов и другие подобные идеи могут оказаться необходимыми для понимания глубинных истоков жизни, которые обычная физика и химия не смогли адекватно объяснить.
Одно дело — моделировать жизнь или выявлять принципы, заложенные в этих симуляциях. Совсем другое дело — синтезировать жизнь. По сравнению с жизнью, смоделированной с помощью программного обеспечения, гипотеза Голема утверждает, что синтетическая форма жизни может быть создана из новых химических компонентов, отличных от тех, которые привели к появлению сложных форм жизни на Земле. Гипотеза названа в честь мифического существа из еврейского фольклора, которое живет и дышит несмотря на то, что полностью сделано из неживых материалов, как правило, грязи. Голем оживает, когда на его лбу начертано магическое слово, например эмет («истина» на иврите), и представляет собой форму спроектированной жизни, созданной в результате процесса, отличного от эволюции. Если в «Троне» акцент делается на информации, то в «Големе» — на энергии: это способ связать информацию с метаболизмом.
В романе «Голем» (1913-14 гг.) Густав Мейринк писал: «В этом нет ничего загадочного. Только магия и колдовство — кишуф — пугают людей; жизнь зудит и горит, как волосяной покров». Для наших целей голем — это аналогия синтетической жизни. Это живое существо, основанное на генеративной грязи, и абстрактное представление того, что возможно с синтетической биологией и протоклетками.
В начале XXI века интерес к такой «грязи» стал более популярным, поскольку ограничения ALife вдохновили новый интерес к роли различных видов материалов и метаболизма, отличных от тех, что были на пребиотической Земле. В 2005 году американские химики Стивен Беннер и Майкл Сисмур описали два типа синтетических биологов, работающих над проблемами жизни: «Одни используют неестественные молекулы для воспроизведения эмерджентного поведения из естественной биологии с целью создания искусственной жизни. Другие ищут взаимозаменяемые части из естественной биологии, чтобы собрать их в системы, функционирующие неестественным образом». Если вторые проверяют гипотезу Трона, то первые — гипотезу Голема.
Теория сборки помогает нам понять, как создаются все объекты химии и биологии
Одним из лучших примеров жизнеподобной синтетической биологии является создание генетических систем, в которых синтетические алфавиты ДНК поддерживаются за счет инженерного расширения механизма сопряжения двуцепочечных оснований Уотсона-Крика. Это не означает создание альтернативной биохимии в лаборатории, а просто химический синтез дополненной, эволюционирующей системы. По сути, все успешные попытки синтетической биологии на сегодняшний день связаны с дополнением, а не с созданием.
Гипотеза Голема поднимает важные вопросы: если жизнь может быть создана из материалов, не похожих на те, из которых возникла жизнь в том виде, в котором мы ее знаем, то какие общие принципы лежат в основе всех живых существ? Каковы универсальные свойства химии, поддерживающей жизнь?
Недавнее развитие теории сборки предлагает нам способ начать отвечать на эти вопросы. Теория сборки помогает нам понять, как устроены все объекты химии и биологии. Каждый сложный объект во Вселенной, от микроскопических водорослей до высоченных небоскребов, построен из уникальных частей, включающих комбинации молекул. Теория сборки помогает нам понять, как эти части и объекты объединяются, и как каждое поколение сложности опирается на предыдущие комбинации. Поскольку эта теория позволяет нам измерить «индекс сборки» объекта — насколько он «собран», насколько сложны его части — мы можем сделать определения эволюции, отличные от тех, которые обычно используются для определения жизни.
В этой системе можно идентифицировать объекты, являющиеся результатом эволюционного процесса, по количеству пройденных этапов сборки, не имея предварительной модели и не зная деталей процесса. Требования таковы: во-первых, объект может быть разложен на строительные блоки; во-вторых, существует минимальный набор правил для соединения блоков вместе; в-третьих, существуют последовательности, описывающие сборку этих строительных блоков в объект, где промежуточные объекты могут быть повторно использованы в качестве новых строительных блоков в процессе строительства. Очень маленькие индексы сборки характерны для чистой физико-химической динамики, которая приводит к образованию кристаллов или планет, но большие индексы в большой популяции объектов воспринимаются как свидетельство эволюционного процесса — и признак жизни. В некотором смысле теория сборки — это версия гипотезы Голема: с ее помощью мы потенциально можем обнаружить формы жизни, возникшие в результате процесса, отличного от эволюции. Идея заключается в том, что для сборки сложного объекта, такого как голем, требуется значительное количество времени, энергии и информации, а индекс сборки является мерой этих требований. Эта теория позволяет нам отобразить определенные вычислительные концепции таким образом, чтобы найти общую подпись процесса решения проблемы.
Голем показывает нам, насколько разнообразными могут быть живые материалы во Вселенной и как сосредоточение на ограниченном наборе материалов может быть чрезмерно узким. Теория сборки показывает нам, что любой исторический процесс оставляет универсальные отпечатки на материалах, независимо от того, насколько они разнообразны.
Гипотезы Трона и Голема сложны и смелы, но есть, возможно, еще более радикальные идеи о происхождении жизни. Эти идеи предполагают, что возникновение сложных вычислительных систем (то есть жизни) во Вселенной может управляться более глубокими принципами, чем мы предполагали ранее. У организмов может быть более общая цель, чем адаптация. Что, если формы жизни возникают не в результате серии адаптивных случайностей, таких как мутация и отбор, а в результате попытки решить какую-то проблему? Мы называем это гипотезой Мопертюи. В ней рассматривается вопрос о том, как жизнь может распространяться по всей Вселенной даже без специфических условий, существующих на Земле. Так что же это за общая проблема? Гипотеза Мопертюи предполагает, что, опираясь на второй закон термодинамики, жизнь может быть способом Вселенной быстрее достичь термодинамического равновесия. Возможно, таким образом Вселенная «решает» проблему более эффективной переработки энергии.
Пьер-Луи Моро де Мопертюи — французский математик и философ XVIII века, сформулировавший «принцип наименьшего действия», который объясняет простые траектории света и физических объектов в пространстве и времени. В обоих случаях природа демонстрирует экономию средств: свет следует по самому быстрому пути между двумя точками; физические объекты движутся так, чтобы затрачивать минимум энергии. И вот, согласно тому, что мы называем гипотезой Мопертюи, жизнь также можно понимать аналогичным образом, как минимизацию или максимизацию определенных количеств. Исследования происхождения жизни можно представить как поиск этих величин.
Например, эволюция путем естественного отбора — это процесс, в котором повторяющиеся раунды выживания заставляют доминирующие генотипы кодировать все больше и больше информации об окружающей среде. В результате возникают организмы, которые, как кажется, максимизируют адаптивную информацию, сохраняя при этом метаболическую энергию. При этом такие организмы ускоряют процесс производства энтропии во Вселенной. Можно абстрагировать эту динамику в терминах байесовской статистики. С этой точки зрения популяция эволюционирующих организмов ведет себя как процесс выборки, когда каждое поколение выбирает из возможного набора генетических вариантов. В течение многих поколений популяция может обновлять свои коллективные «знания» о мире посредством повторяющихся раундов дифференциального выживания (или «естественного отбора»).
Свободная энергия» — это своего рода измерение неопределенности: разницы между предсказанием и результатом.
Это байесовское мышление привело к принципу свободной энергии, предложенному нейробиологом Карлом Фристоном в 2005 году. Его принцип стал основой того, что мы называем гипотезой Мопертюи. Как и теория конструктора, принцип свободной энергии стремится обеспечить объединяющую основу для всех живых систем. Принцип Фристона расширяет идеи байесовской статистики (оценка параметров) и статистической механики (минимизация функций затрат) для описания любого процесса обучения или адаптации, будь то у людей, организмов или других живых систем.
Его концепция призвана объяснить, как эти живые системы стремятся минимизировать неопределенность в отношении окружающей среды, обучаясь делать более точные прогнозы. Для Фристона «свободная энергия» — это своего рода измерение неопределенности: разница между предсказанием и результатом. Чем больше разница, тем выше свободная энергия. В системе Фристона живая система — это просто любая динамическая система, которая, как можно показать, минимизирует свободную энергию, чтобы свести к минимуму неопределенность. Камень, скатывающийся с холма, минимизирует потенциальную энергию, но, конечно, не фристоновскую свободную энергию — камни не учатся делать лучшие предсказания о своем окружении. Однако бактерия, плывущая по градиенту питательных веществ, минимизирует свободную энергию, поскольку она извлекает информацию из окружающей среды, чтобы записать положение своей пищи. Бактерия подобна камню, который делает выводы.
Если согласиться с тем, что моделирование мира — извлечение информации и умозаключения об окружающей среде — является основой жизни, то жизнь должна возникать повсеместно и без особых усилий. Подобно принципу наименьшего действия, который лежит в основе всех теорий в физике, идея Фристона предполагает, что минимизация свободной энергии — это действие, поддерживающее все возможные формы жизни. Это касается и биологических организмов, и обществ, и технологий. С этой точки зрения даже модели машинного обучения, такие как ChatGPT, являются формами-кандидатами на жизнь, потому что они могут действовать в мире (наполнять его своими текстами), воспринимать эти изменения в процессе обучения и обучаться новым внутренним состояниям, чтобы минимизировать свободную энергию.
Согласно гипотезе Мопертюи, живые существа не ограничиваются биологическими сущностями, а являются в более общем смысле машинами, способными передавать адаптивные решения последующим поколениям посредством минимизации свободной энергии. Другими словами, живые существа способны передавать информацию из своего прошлого в будущее. Если это так, то как определить границы живых существ? Что считается индивидуальностью?
Этот вопрос решает информационная теория индивидуальности, разработанная Дэвидом Кракауэром и его коллегами из Института Санта-Фе в Нью-Мексико, а также сотрудниками Института Макса Планка в Лейпциге в 2020 году. Откликаясь на такие идеи, как принцип свободной энергии Фристона, мы предположили, что существуют более фундаментальные «личности», чем кажущиеся дискретными формы жизни вокруг нас. Эти личности определяются их способностью передавать адаптивную информацию во времени. Мы назвали их «частицами Мопертюи» за то, что они играют роль, сравнимую с частицами, движущимися внутри полей в физической теории — например, масса, движущаяся в гравитационном поле. Эти частицы не обязательно должны быть биологическими. Все, что им нужно, — это передавать адаптивные решения последующим поколениям.
Индивиды — это динамические процессы, которые кодируют адаптивную информацию.
Жизнь основана на создании копий, которые с каждым новым поколением все больше приспосабливаются к окружающей среде. В традиционных подходах к происхождению жизни особое значение имеют механизмы репликации, такие как копирование гена внутри клетки. Однако репликация может принимать и другие формы. Копирование гена в клетке — это лишь способ химии приблизить более широкую информационную функцию частиц Мопертюи. Даже в биологии существует множество видов индивидуумов: вирусы, которые передают большую часть своего механизма репликации геномам хозяина, микробные маты, в которых горизонтальный перенос генов разрушает информационную границу клетки, и эусоциальные насекомые, где стерильные рабочие поддерживают плодовитую королеву, которая производит будущих потомков. Согласно информационной теории индивидуальности, особи могут быть построены из разных химических основ. Важно, что жизнь определяется адаптивной информацией. Гипотеза Мопертюи открывает новые возможности для того, что считается живым существом: новые формы и степени индивидуальности.
Как же найти таких людей? Согласно информационной теории индивидуальности, индивидуумы — это динамические процессы, которые кодируют адаптивную информацию. Чтобы понять, как их можно обнаружить, рассмотрим, как различные объекты в нашей Вселенной обнаруживаются на разных длинах волн света. Многие признаки жизни, такие как тепловые сигнатуры метаболической активности, становятся видимыми только при больших длинах волн. Другие, такие как поток углерода, видны при более низких длинах волн. Точно так же индивидуумы распознаются по разным «информационным частотам». Каждая форма жизни обладает своим частотным спектром, причем каждый тип формирует все более сильные корреляции в пространстве (все более крупные адаптации) и во времени (все более длинная наследственность). Даже в рамках одного и того же химического процесса можно обнаружить множество различных особей в зависимости от выбора используемого информационного фильтра. Рассмотрим многоклеточный организм — человека. Если смотреть на него издалека (используя своего рода крупнозернистый фильтр), он представляет собой единую координированную сущность. Однако если посмотреть на него вблизи (с помощью мелкозернистого фильтра), то этот единый организм оказывается кишащим несколькими независимыми тканями, клетками и белками. Существует множество масштабов индивидуальности.
Какова же общая цель этих размножающихся индивидуумов? Поскольку каждый из них тратит метаболическую энергию для обеспечения надежного распространения информации, они ускоряют производство энтропии в окружающей среде. Таким образом, обмениваясь адаптивной информацией, каждый индивид косвенно ускоряет тепловую смерть Вселенной. Решая маленькие проблемы на локальном уровне, жизнь создает большие проблемы на глобальном.
Является ли решение проблем жизни материей? Размышляя о нашем биотическом происхождении, важно помнить, что большинство химических реакций не связаны с жизнью, независимо от того, происходят ли они здесь или где-то еще во Вселенной. Одной химии недостаточно для идентификации жизни. Вместо этого исследователи используют адаптивную функцию — способность решать проблемы — в качестве основного доказательства и фильтра для выявления нужных видов биотической химии. Если жизнь — это материя, решающая проблемы, то наше происхождение не было чудесным или редким событием, управляемым химическими ограничениями, а, напротив, результатом гораздо более универсальных принципов информации и вычислений. И если жизнь можно понять через эти принципы, то, возможно, она возникала чаще, чем мы думали раньше, будучи движимой проблемами столь же масштабными, как взрыв, положивший начало нашей абиотической Вселенной 13,8 миллиарда лет назад.
Физический рассказ о происхождении и эволюции Вселенной — это чисто механическое дело, объясняемое такими событиями, как Большой взрыв, образование легких элементов, конденсация звезд и галактик и образование тяжелых элементов. В этом объяснении нет ни задач, ни целей, ни проблем. Но физика и химия, которые привели к появлению жизни, по-видимому, не просто подчинялись фундаментальным законам. В какой-то момент истории Вселенной материя стала целеустремленной. Она стала организована таким образом, что смогла приспособиться к окружающей среде. Она превратилась из дифференциального двигателя, похожего на Бэббиджа, в аналитический двигатель, похожий на Тьюринга. Это порог для зарождения жизни.
В абиотической вселенной физические законы, такие как закон всемирного тяготения, подобны «вычислениям», которые могут выполняться повсюду в пространстве и времени с помощью одних и тех же базовых операций ввода-вывода. Однако для живых организмов правила жизни могут быть изменены или «запрограммированы» для решения уникальных биологических проблем — эти организмы могут адаптировать себя и окружающую среду. Вот почему, если абиотическая Вселенная — это двигатель различий, то жизнь — это аналитический двигатель. Этот переход от одного к другому знаменует собой момент, когда материя стала определяться вычислениями и решением проблем. Конечно, для этого перехода потребовалась специальная химия, но фундаментальный переворот произошел не в материи, а в логике.
В этот момент впервые в истории Вселенной возникла большая проблема, способная превзойти Большой взрыв. Чтобы решить эту большую проблему — понять, как материя смогла адаптироваться к, казалось бы, бесконечному диапазону сред, — в прошлом веке появилось множество новых теорий и абстракций для измерения, обнаружения, определения и синтеза жизни. Некоторые исследователи синтезировали жизнь in silico. Другие экспериментируют с новыми формами материи. А третьи открыли новые законы, которые могут сделать жизнь такой же неотвратимой реальностью, как и физика.
Остается выяснить, какие из них позволят нам выйти за пределы истории нашей планеты.
Опубликовано совместно с Институтом Санта-Фе, стратегическим партнером Aeon.
Подробнее об идеях, изложенных в этом эссе, читайте в научной статье Криса Кемпеса и Дэвида Кракауэра «Множественные пути к множественной жизни» (2021) и в книге Сары Имари Уокер «Жизнь, о которой никто не знает: физика возникновения жизни» (2024).
