Открыт новый фундаментальный закон природы "Закон увеличения функциональной информации"

Аннотация

Физические законы, такие как законы движения, гравитации, электромагнетизма и термодинамики, кодифицируют общее поведение разнообразных макроскопических природных систем в пространстве и времени. Мы предполагаем, что для характеристики знакомых макроскопических явлений нашей сложной эволюционирующей вселенной требуется дополнительный, до сих пор невысказанный закон. Важной особенностью классических законов физики является концептуальная эквивалентность конкретных характеристик, общих для обширного, на первый взгляд, разнообразного набора природных явлений. Выявление потенциальных эквивалентностей между разрозненными явлениями — например, падающими яблоками и вращающимися по орбите лунами или горячими объектами и сжатыми пружинами — сыграло важную роль в продвижении научного понимания нашего мира посредством формулирования законов природы. Всепроникающим чудом мира природы является эволюция разнообразных систем, включая звезды, минералы, атмосферы и жизнь. Эти эволюционирующие системы кажутся концептуально эквивалентными в том смысле, что они демонстрируют три примечательных атрибута: 1) Они формируются из многочисленных компонентов, которые потенциально могут принимать огромное количество различных конфигураций; 2) существуют процессы, которые генерируют множество различных конфигураций; и 3) конфигурации предпочтительно выбираются на основе функции. Мы определяем универсальные концепции отбора — статическое постоянство, динамическое сохранение и генерирование новизны, — которые лежат в основе функционирования и стимулируют эволюцию систем посредством обмена информацией между окружающей средой и системой. Соответственно, мы предлагаем "закон увеличения функциональной информации”: функциональная информация системы будет увеличиваться (т.Е. система будет эволюционировать), если множество различных конфигураций системы будут подвергаться отбору для выполнения одной или нескольких функций.

Подпишитесь на оповещения PNAS.

Получайте оповещения о новых статьях или получайте оповещение при цитировании статьи.

УПРАВЛЕНИЕ ОПОВЕЩЕНИЯМИ

Законы классической физики возникли в результате попыток обеспечить всесторонние, прогнозирующие объяснения явлений в макроскопическом мире (1–4). Хорошо документированные примеры включают 10 утверждений, которые составляют классические законы движения, гравитации, электромагнетизма и энергии (таблица 1). Каждый из этих эмпирически обоснованных законов природы описывает универсальное поведение макроскопических физических систем.

Таблица 1.

Десять законов классической физики, адаптированные из ссылок. 3 и 4

Законы движения Ньютона	1. Первый закон движения: Тело будет продолжать находиться в состоянии покоя или равномерного движения по прямой, если только его не заставят изменить это состояние действующие на него силы. 2. Второй закон движения: Сила равна массе, умноженной на ускорение. 3. Третий закон движения: На каждую действующую силу существует равная и противоположная сила противодействия.
Закон гравитационного притяжения Ньютона	4. Между любыми двумя объектами существует сила притяжения, пропорциональная произведению двух масс, деленному на квадрат расстояния между ними.
Законы термодинамики	5. Первый закон термодинамики: в замкнутой системе общее количество энергии сохраняется. 6. Второй закон термодинамики: Тепло не будет самопроизвольно перетекать от более холодного тела к более теплому.
Законы электромагнетизма (электричество и магнетизм - это два аспекта одной и той же силы)	7. Электростатика (закон Кулона): Сила, действующая между любыми двумя электрически заряженными объектами, пропорциональна произведению их зарядов, деленному на квадрат расстояния между ними. 8. Магнитостатика: Каждый магнит является диполем; сходные магнитные полюса отталкивают друг друга, в то время как непохожие притягиваются. 9. Электромагнетизм: магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами. 10. Электромагнитная индукция: электрические поля и электрические токи создаются путем изменения магнитных полей.

ПОДРОБНЕЕ

ОТКРЫТЬ В ПРОГРАММЕ ПРОСМОТРА

Список законов в таблице 1 не является исчерпывающим; например, можно привести доводы в пользу включения дополнительных законов сохранения (например, для массы и заряда). Тем не менее, в совокупности эти утверждения кодифицируют большинство явлений природного мира в масштабах пространства и времени, которые доступны восприятию человека (т.Е. нерелятивистские явления в масштабах, превышающих квантовые эффекты). Обратите внимание, что, хотя большинство из этих законов природы можно выразить количественно в виде уравнения, такая формулировка не является существенной характеристикой. Второй закон термодинамики, например, часто представляется в виде неравенства: энтропия замкнутой системы остается постоянной или увеличивается (утверждение, которое учитывает наблюдаемую асимметрию: “тепло не будет самопроизвольно перетекать от более холодного тела к более теплому”). Тем не менее, каждый из этих законов основан на измеримых параметрах — массе, силе, ускорении, расстоянии, энергии или заряде.

Богатое разнообразие наблюдаемых природных явлений объясняется классическими законами физики. Эллиптические орбиты планет, поведение паровых двигателей, расщепление белого света призмой на спектр цветов и движение стрелки компаса, помещенной рядом с электрическим током, - все это непосредственно вытекает из этих утверждений. Законы, представленные в таблице 1, являются одними из наиболее важных утверждений, открытых учеными на сегодняшний день, и хотя могут быть разногласия по поводу того, что следует включить в окончательный список, явно отсутствует закон возрастающей “сложности”. Таким образом, важный вопрос без ответа заключается в том, достаточны ли сформулированные на данный момент законы природы в сочетании с необходимыми исходными допущениями и начальными условиями для кодификации всех легко наблюдаемых природных явлений. Могут ли быть сформулированы дополнительные естественные законы, аналогичные по масштабу и значимости приведенным в таблице 1 (5–7)? Если да, то какие шаги необходимо предпринять для выявления и кодификации таких “недостающих законов”?

Мы предлагаем подход, основанный на выявлении множества примеров разрозненных, якобы эволюционирующих макроскопических явлений, которые демонстрируют поразительное концептуальное сходство, что убедительно указывает на возможность лежащей в основе концептуальной эквивалентности, регулируемой законом (естественные законы и открытие концептуальных эквивалентностей и выявление многообещающей концептуальной эквивалентности среди разрозненных эволюционирующих систем). Одним из объединяющих аспектов всех эволюционирующих систем является отбор, поэтому далее мы исследуем фундаментальные источники отбора и функционирования (The Origins of Selection and Function). Затем мы вводим функциональную информацию в качестве параметра, вокруг которого формулируем естественный закон (Функциональная информация и эволюция систем) и предлагаем закон увеличения функциональной информации (Закон увеличения функциональной информации). В заключение мы рассмотрим важные следствия этого естественного закона (Обсуждение).

Результаты

Естественные законы и открытие концептуальных эквивалентностей.

Открытие классических законов физики продемонстрировало, что определенные характеристики (т.е. свойства или атрибуты) физических тел обладают соответствующими сходствами. Хотя падение яблока и орбита Луны отличаются во многих отношениях, они схожи в том, что касается общего свойства яблока и Луны обладать массой, и, таким образом, движения обоих объектов могут быть описаны в нерелятивистском контексте универсальным законом гравитационного притяжения Ньютона. Общие свойства, охватываемые законом природы, служат для объединения на первый взгляд несопоставимых явлений на концептуальном уровне, предполагая, что рассматриваемые явления эквивалентны теоретически важным образом и, следовательно, представляют собой единую область природных явлений.

Установление того, что совокупность интуитивно сходных, но на первый взгляд разнообразных явлений действительно эквивалентны определенным образом, зависит от открытия объединяющих их общих законов. Например, эксперименты, проведенные физиками девятнадцатого века (например, Эрстедом и Фарадеем), привели к подозрению, что электрические и магнитные явления в значительной степени схожи (8, 9). Предполагаемая концептуальная эквивалентность между электричеством и магнетизмом, основанная на наблюдениях обоих типов явлений в лабораторных условиях, имела важное значение для разработки законов электромагнетизма, кодифицированных в уравнениях Максвелла.

В качестве другой иллюстрации открытие того, что тепло может быть преобразовано в механическую работу (например, в паровых двигателях) и что механическая работа может быть преобразована в тепло (например, за счет трения), позволило предположить, что горячие предметы и механические устройства, такие как сжатая пружина, концептуально эквивалентны, поскольку они обладают общим закономерным свойством обладания энергией (динамическим свойством способности выполнять работу). Концепция горячих объектов, обладающих энергией, привела к принятию динамической теории тепла и кинетической теории температуры (идея о том, что вся материя состоит из частиц, постоянно находящихся в движении, в которых температура отождествляется со средней кинетической энергией ½ мв²) вместо ныне устаревшей калорической теории (в которой тепло передается через гипотетическую, самоотталкивающуюся, невесомую жидкость). Исследования эффективности тепловых двигателей далее показали, что преобразование тепла в механическую работу не является полностью обратимым — тепло самопроизвольно течет только в одном направлении, от горячего резервуара к холодному, что проложило путь к концепции энтропии и асимметричному во времени второму закону термодинамики. Эти исследования поведения термодинамических систем привели к появлению универсальных законов термодинамики, которые описывают соотношения между работой, теплом и энергией в материальных системах, находящихся в равновесии или вблизи него.

Подводя итог, можно сказать, что открытие законов природы, приведенных в таблице 1, часто начиналось со смелой гипотезы, а именно, что, казалось бы, не связанные явления, тем не менее, похожи важным, но пока еще плохо изученным образом. Способность сформулировать каждый из этих теоретических законов критически зависела от определения того, какие из предполагаемых теоретических атрибутов рассматриваемых явлений — например, инертная масса, энергия, электрический заряд — закономерно связаны эмпирически выявляемым образом. Эмпирическое подтверждение закона установило, что соответствующие теоретические атрибуты “реальны” и действительно концептуально эквивалентны в данном контексте.

Наконец, важно иметь в виду, что даже если предположить, что совокупность природных явлений может быть объединена в соответствии с еще не сформулированным законом природы, из этого не следует, что набор атрибутов, выбранный для формулирования такого закона, будет успешным. Способность человека формулировать эмпирически обоснованные общие законы природы критически зависит от выбора правильных атрибутов для соответствующих явлений. Например, ранние теории движения, основанные на ныне несуществующей теоретической концепции импетуса (внутреннего движущего свойства объектов, поддерживающего их в движении), были неспособны объяснить важные аспекты движения материальных объектов и были заменены законами движения Ньютона, которые основывались на совершенно ином теоретическом свойстве инерции. Короче говоря, можно ошибаться относительно того, какие гипотетические теоретические характеристики концептуально эквивалентны в соответствующем смысле обеспечения основы для объединения совокупности на первый взгляд разрозненных природных явлений в рамках научно обоснованного закона.

История научных открытий лежит в основе нашего поиска эмпирически значимых теоретических законов, описывающих поведение эволюционирующих систем, рассматриваемых в целом, — систем, демонстрирующих характерную, асимметричную во времени форму развития, — которая явно не выводима из классических законов физики. Прогресс зависит от изучения множества эволюционирующих систем с целью выявления потенциальных концептуальных эквивалентностей посредством изучения общих тем, возможно, неуловимых, которые могут указать на теоретическую основу базовых атрибутов, способных поддержать пока еще невысказанный закон природы, объединяющий эволюционирующие явления.

Выявление многообещающей концептуальной эквивалентности среди разрозненных эволюционирующих систем.

Мы определяем “эволюционирующую систему” как коллективный феномен многих взаимодействующих компонентов, который демонстрирует временное увеличение разнообразия, распределения и шаблонного поведения. В этом контексте иногда используется концепция повышенной сложности (10–14). Как таковые, эволюционирующие системы являются всеобъемлющим аспектом природного мира, возникающим в многочисленных природных контекстах во многих пространственных и временных масштабах.

Эволюционирующие системы, по-видимому, демонстрируют концептуальную эквивалентность, которая пока не кодифицирована ни одним из законов природы, изложенных в таблице 1. Согласно нашему предложению, эволюционирующие системы должны соответствовать всем классическим законам физики, даже если их универсальное и отличительное поведение неадекватно описывается этими законами, ни по отдельности, ни в сочетании. Это требование представляет потенциальную проблему. Очевидная тенденция эволюционирующих систем — особенно неживых, таких как те, которые участвуют в эволюции звезд, минералов и атмосферы (обсуждается ниже) — становиться все более упорядоченными с течением времени, по-видимому, контрастирует с асимметричным во времени характером второго закона термодинамики, который характеризует природные явления как становящиеся все более неупорядоченными с течением времени. Одной из отличительных особенностей нашего предложения является формулировка универсального закона как для живых, так и для неживых эволюционирующих систем, который согласуется со вторым законом термодинамики, но не может неизбежно вытекать из него.

Какие общие черты могут быть у эволюционирующих систем? В чем они могут быть концептуально эквивалентны? Рассмотрим три примера эволюционирующих систем.

1.

Звездная эволюция и нуклеосинтез: Звезды начинаются как гравитационно связанные массы, состоящие в основном из водорода и гелия, в которых внутреннее давление и температура достаточно высоки, чтобы инициировать и поддерживать реакции ядерного синтеза. Первые стадии нуклеосинтеза у всех звезд включают “сжигание водорода” с образованием гелия, но звезды размером больше Солнца в конечном итоге подвергаются дополнительным процессам синтеза: “сжиганию гелия” с образованием углерода, “сжиганию углерода” с образованием магния и других элементов и нескольким последовательным стадиям, на которых образуются десятки элементов и сотни изотопов (15–17). На заключительных, бурных стадиях жизни звезд такие события, как классические новые, сверхновые и столкновения нейтронных звезд, приводят к созданию полной периодической таблицы, включающей более 100 элементов и их ~ 2000 изотопов. Таким образом, звездная эволюция приводит к новым конфигурациям бесчисленных взаимодействующих ядерных частиц. Система неумолимо эволюционирует от небольшого числа элементов и изотопов к разнообразию атомных строительных блоков, которые мы видим во Вселенной сегодня.

2.

Эволюция минералов: “Эволюция минералов” описывает изменение разнообразия и распределения минералов, которые возникают в процессе формирования и эволюции планет земной группы и их спутников (18–21). Самые древние минералы в космосе включают примерно 20 тугоплавких фаз, которые конденсировались из расширяющихся, охлаждающихся атмосфер старых звезд (22, 23). Эти минералы вносят свой вклад в пыль и газ, образующие планеты, — материалы, которые подвергаются дальнейшим последовательностям конденсации, плавления, кристаллизации, дифференциации, изменению под воздействием температуры и давления, а также взаимодействию флюида и породы (24). Каждый новый физический, химический и (на Земле) биологический процесс потенциально может разнообразить запасы полезных ископаемых на планете. Таким образом, на Земле кодифицировано более 5900 минеральных “видов” (https://rruff.info/ima /; дата обращения 31 мая 2023 г.), и, возможно, еще 3500 видов ожидают открытия и описания (25). Более того, средняя химическая и структурная информация, содержащаяся в минералах, систематически увеличивается на протяжении миллиардов лет планетарной эволюции (26, 27). Таким образом, как и в случае звездного нуклеосинтеза, эволюция минералов происходит как последовательность процессов, которые увеличивают разнообразие системы в несколько этапов, каждый из которых основывается на предыдущих.

3.

Биологическая эволюция: Жизнь - это квинтэссенция эволюционирующей системы. Чарльз Дарвин (1859) предложил элегантную схему эволюции жизни путем естественного отбора: 1) В любой популяции особи демонстрируют вариации своих черт (например, из-за мутаций и генетической рекомбинации); 2) рождается больше особей, чем может выжить; и 3) особи с наследуемыми чертами, способствующими выживанию, с большей вероятностью произведут потомство, обладающее этими выгодными чертами. Таким образом, популяции эволюционируют на протяжении многих поколений, поскольку более выгодные признаки отбираются с предпочтением признакам, которые не дают преимуществ. Жизнь, хотя и отличается спецификой своих эволюционных механизмов, может быть концептуализирована как эквивалентная предыдущим примерам нуклеосинтеза и эволюции минералов следующим образом: независимо от того, рассматривается ли она в масштабе взаимодействующих молекул, клеток, индивидуумов или экосистем, биологические системы потенциально могут иметь множество конфигураций, генерируется множество различных конфигураций, и естественный отбор преимущественно сохраняет конфигурации с эффективными функциями.

Эти три эволюционирующие природные системы существенно различаются в деталях. Звездный нуклеосинтез зависит от выбора стабильных конфигураций протонов и нейтронов. Эволюция минералов основана на выборе новых, локально стабильных групп химических элементов. Биологическая эволюция происходит путем естественного отбора полезных наследуемых признаков. Тем не менее, мы предполагаем, что эти примеры (и многие другие) концептуально эквивалентны в трех важных аспектах (28, 29):

1.

Каждая система формируется из множества взаимодействующих единиц (например, ядерных частиц, химических элементов, органических молекул или клеток), которые приводят к комбинаторно большому числу возможных конфигураций.

2.

В каждой из этих систем текущие процессы порождают большое количество различных конфигураций.

3.

Некоторые конфигурации, в силу их стабильности или другого ”конкурентного" преимущества, с большей вероятностью сохранятся благодаря функциональному отбору.

Другими словами, каждая система развивается путем выбора выгодных конфигураций с точки зрения системной устойчивости.

По иронии судьбы, эти тесные параллели между различными эволюционирующими системами, возможно, были затемнены силой трансформационных аргументов Чарльза Дарвина в пользу биологической эволюции путем естественного отбора (30). Например, наиболее громкие возражения против концепции эволюции минералов исходят от биологов, которые утверждают, что минеральные системы не могут эволюционировать — что эволюция - это концепция, уникальная для биологии (31). Однако мы утверждаем, что дарвиновский естественный отбор и общее происхождение являются лишь одним концептуально эквивалентным примером гораздо более общего естественного процесса (32). Детали варьируются от системы к системе, но все развивающиеся системы демонстрируют существенные характеристики комбинаторного богатства и функционального отбора.

Эволюционирующие системы асимметричны по отношению ко времени; они демонстрируют временное увеличение разнообразия, распределения и / или шаблонного поведения. В предыдущей работе была предпринята попытка описать эту временную асимметрию с помощью “теории смежного возможного”, математической формулы, которая описывает монотонное и взрывное увеличение комбинаторного богатства со временем (33, 34). Тем не менее, эволюция посредством отбора не обязательно должна быть непрерывной или перманентной. Условия окружающей среды, которые ограничивают генерацию новых конфигураций или ограничивают отбор, будут препятствовать эволюции. Например, нуклеосинтез прекращается при взрыве звезды, эволюция минералов практически прекращается, если планета замерзает, эволюция живых систем может замедлиться, когда данная среда практически не изменяется в течение длительного времени, а биологическая эволюция временно прерывается сразу после событий массового вымирания (хотя в долгосрочной перспективе массовые вымирания могут открыть новые ниши для последующих эволюционных “взрывов"). Тот факт, что скорость эволюции меняется при изменении механизмов отбора проб новых конфигураций и / или давления отбора в системе, подчеркивает значимую связь между эволюцией и контекстом.

Этих трех характеристик — компонентного разнообразия, исследования конфигурации и отбора, — которые, как мы предполагаем, представляют концептуальные эквиваленты для всех эволюционирующих природных систем, может быть достаточно для формулирования качественного законоподобного утверждения, которое не подразумевается в классических законах физики. Во всех случаях эволюция - это процесс, посредством которого предпочтительно отбираются конфигурации с большей степенью функциональности, в то время как нефункциональные конфигурации отсеиваются. Мы заключаем:

Системы, состоящие из множества взаимодействующих агентов, демонстрируют увеличение разнообразия, распределения и/или шаблонного поведения, когда многочисленные конфигурации системы подвергаются селективному давлению.

Однако существует ли универсальная основа для отбора? И существует ли более количественный формализм, лежащий в основе этой предполагаемой концептуальной эквивалентности — формализм, основанный на передаче информации? Здесь мы подробно остановимся на этих вопросах и утверждаем, что ответ на оба вопроса положительный.

Истоки отбора и функции.

Вселенная, которую мы наблюдаем, постоянно порождает определенные упорядоченные структуры и шаблонные системы, существование и изменение которых с течением времени не могут быть адекватно объяснены ранее выявленными законами природы, такими как те, которые приведены в таблице 1. Похожее на закон утверждение, которое мы предлагаем в конце Определения перспективной концептуальной эквивалентности среди разнородных эволюционирующих систем, описывает увеличение сложности системы из-за наличия давления отбора. В этом разделе мы выделяем три вида отбора и постулируем, как селективные силы благоприятствуют функционированию.

Подходим к отбору первого порядка, представляя мир без шаблонов.

Закон возрастающей сложности по определению является законом, асимметричным во времени (т.Е. Направленность времени явно связана с изменениями в состоянии системы). Современная физика объясняет направленность времени, ссылаясь на гипотезу прошлого, которая гласит, что Вселенная возникла в состоянии с чрезвычайно низкой энтропией (35, 36). Предыдущая гипотеза в сочетании с симметричными во времени фундаментальными законами природы приводит ко второму закону термодинамики, который гласит, что общая энтропия имеет тенденцию к увеличению.

Одна из стратегий выявления важных аспектов нашей усложняющейся вселенной состоит в том, чтобы представить ”возможный мир" с тем же самым начальным низкоэнтропийным состоянием, которое движется во времени в полном соответствии со вторым законом, но не создает никаких систем возрастающей сложности. Что изменилось бы в том мире, который запрещает возникновение порядка, разнообразия и функций?

В этом лишенном шаблонов мире нашего воображения системы плавно движутся к состояниям с более высокой энтропией, не создавая никаких долгоживущих очагов с низкой энтропией, например, из-за отсутствия сил притяжения (гравитации, электростатики) или универсальных преобладающих сил отталкивания. То есть не существует барьеров, которые мешали бы системам идти прямым путем к термодинамическому равновесию по мере их эволюции. Возможно, даже невозможно провести границы между различными макроскопическими "сущностями” в такой вселенной: можно ли что-либо отличить, если вся вселенная - это просто суп из материи и энергии, быстро рассеивающий случайные флуктуации и остывающий бесконечно?

Наша вселенная - это не та воображаемая вселенная: она порождает сущности, которые не идут самыми прямыми путями к своим состояниям с наивысшей энтропией. Что-то “расстраивает” и иногда направляет диссипацию свободной энергии, допуская длительное существование нарушений равновесия (37–41). Каковы некоторые из этих барьеров? Что касается ядерного синтеза, то кулоновское отталкивание и медленная скорость событий слабого взаимодействия (которое превращает протон в нейтрон с испусканием позитрона и электронного нейтрино, создавая дейтрон) препятствуют самопроизвольному превращению всего водорода во вселенной в железо. Что касается химических реакций, то кинетические барьеры препятствуют многим экзергоническим реакциям, выводя химические системы из равновесия. Что касается переноса тепла, низкая теплопроводность материала планет позволяет сохранять температурные градиенты внутри тел планет.

Большое разнообразие материалов в нашей вселенной является результатом этих барьеров. Элементы периодической системы существуют потому, что легкие ядра нелегко сплавляются с образованием железа, а многие тяжелые ядра стабильны и не распадаются. Видимый фотон сам по себе не превращается во множество тепловых фотонов. Минералы, образовавшиеся при давлении и температуре мантии Земли, могут сохраняться на поверхности благодаря кинетической стабильности. Аналогично, органическая материя не воспламеняется самопроизвольно в кислородной атмосфере из-за высокой энергии активации горения. Мы обязаны своим существованием всем этим метастабильным свойствам нашей Вселенной.

Таким образом, самая основная сила отбора проистекает из фундаментальных свойств нашей вселенной, которые обеспечивают статическое постоянство. (Такое постоянство, конечно, не является абсолютно неопределенным, но должно продолжаться в течение периодов, намного превышающих другие временные масштабы локальных изменений.) Многие структуры в природе были отобраны по их устойчивости к распаду до равновесного состояния. Мы можем сформулировать это как “принцип статического постоянства”, который мы называем “отбором первого порядка”.:

Конфигурации вещества имеют тенденцию сохраняться, если не существуют кинетически благоприятные пути для их включения в более стабильные конфигурации.

Основные функции динамических систем и происхождение отбора второго порядка.

Статическая устойчивость обеспечивает не только огромное разнообразие компонентов, но и обеспечивает “аккумуляторы свободной энергии” или “очаги негэнтропии” по всей вселенной, которые подпитывают динамически устойчивые объекты (42). Звезды представляют собой динамически устойчивые сферы плазмы, которые питаются свободной энергией, высвобождаемой в результате ядерного синтеза в их ядрах. Конвективные ячейки — будь то внутри звезды или ядра планеты, мантии или атмосферы — являются динамически устойчивыми диссипативными структурами, которые подпитываются планетарными температурными градиентами. Динамическое постоянство жизни обусловлено химическим неравновесием в окружающей среде и солнечными фотонами, которые сильно нарушают равновесие с тепловым фоном (39, 43, 44).

Динамические объекты по необходимости являются открытыми системами. Следовательно, в отличие от статически устойчивых объектов, они не определяются постоянством точного состава вещества: содержание элементов в звезде меняется в течение ее жизни; ураган за время своего существования поглощает множество различных частиц воздуха; организмы постоянно обмениваются веществом со своей средой.

Что же тогда сохраняется? На наш взгляд, это процессы, приводящие к тому, что мы называем “отбором второго порядка”:

Поскольку процессы оказывают причинно-следственное влияние на внутреннее состояние системы или ее внешнюю среду, их можно называть функциями. Если функция способствует сохранению системы, она будет выбрана для.

Фундаментальным процессом является рассеивание свободной энергии — без этой функции не могли бы существовать сложные динамические объекты. В отличие от статического сохранения, которое требует рассеивания только во время формирования, динамическое сохранение требует активного рассеивания. Могут возникнуть другие функции, такие как автокатализ, гомеостаз и обработка информации, которые продлевают акт рассеивания в пространстве и времени. Например, самовоспроизводящиеся системы, включая жизнь, какой мы ее знаем, обязательно являются автокаталитическими; при прочих равных условиях вариации таких систем, обладающие большей автокаталитической мощью, будут распространяться быстрее и могут быть охарактеризованы как обладающие более высокой “динамической кинетической стабильностью” (45, 46).

Различные виды динамической устойчивости отличаются различными уровнями, на которых информация играет определенную роль в обеспечении устойчивости. Здесь информация просто относится к шаблонам данных в системе, которые кодируют информацию о себе, своей среде или о своих отношениях с окружающей средой. В случае автокатализа системная информация способствует устойчивости, тогда как при гомеостазе корреляции между системой и ее окружением способствуют устойчивости. Обработка информации добавляет измерение, поскольку система активно записывает информацию об окружающей среде, что способствует постоянству. Обратите внимание, что обработка информации может происходить на различной степени. Рассмотрим различия между системами, способными к запоминанию, прогнозированию на основе памяти и прогнозированию вне памяти. Память (хранение информации, полученной в результате измерений и зондирования) позволяет кодировать ассоциации. Прогнозирование на основе памяти (способность делать выводы о будущих состояниях на основе закодированной памяти) способствует постоянству благодаря базовому пониманию причинно-следственных связей. Наконец, предсказание вне памяти требует воображения и способности учитывать контрфакты; такая абстракция позволяет генерировать большую новизну посредством создания доселе несуществующих, воображаемых версий реальности (47). Этот информационно-ориентированный подход к сохранению и самоорганизации значительно отличается от чисто термодинамических описаний “диссипативных структур” (42, 48) и физико-химической концепции динамической кинетической стабильности (45, 46).

Давайте назовем диссипацию, автокатализ, гомеостаз и обработку информации “основными функциями” (49). Каждая из этих функций служит для увековечения самой себя, способствуя дальнейшему рассеянию: звезды достигают гомеостаза, уравновешивая гравитационный коллапс кинетической энергией, генерируемой термоядерным синтезом, позволяя термоядерному синтезу сохраняться; огонь достигает автокатализа, нагревая окружающие материалы до температуры горения, продлевая горение; жизнь осуществляет обработку информации с помощью различных механизмов обучения, включая дарвиновскую эволюцию и неврологическое познание, которые, в свою очередь, поддерживают линию передачи информации, способствуя выживанию, размножению и продолжительной метаболической активности.

Вспомогательные функции, поиск новизны и отбор третьего порядка на предмет новизны.

Наиболее сложные системы могут представлять собой вложенные сети более мелких сложных систем, каждая из которых сохраняется и помогает поддерживать устойчивость целого. Во вложенных сложных системах могут возникать вспомогательные функции. Например, ферменты отбираются по их способности катализировать определенную реакцию, которая может представлять собой одно химическое превращение в сложной автокаталитической сети, системе гомеостатической обратной связи или аппарате обработки информации. Другими словами, функция фермента заключается не в том, чтобы выполнять какую-либо из основных функций в одиночку, а в том, чтобы играть определенную роль в контексте основной функции, выраженной на более высоком уровне организации. С точки зрения фермента, существует давление отбора сверху вниз, чтобы ферменты обладали высокой каталитической эффективностью из-за давления отбора на более высоком уровне для сохранения линии организмов. Другими словами, функция фермента определяется его контекстом в рамках более крупной системы. [Обратите внимание на одно небольшое предостережение: существуют определенные случаи, когда сворачивание белка лучше описывается отбором по “форме”, основанным на данных физики, то есть статической стойкости, а не отбором по функциональной адаптации (50)]. Вспомогательные функции могут существовать на многих уровнях: с точки зрения организма, может существовать давление отбора сверху вниз, обусловленное потребностями его сообщества, и сообщество может испытывать давление со стороны более высоких экологических единиц отбора и т.д.

Вспомогательные функции могут оказаться настолько далекими от основных, что будет трудно понять их связь с выживанием более крупной системы. Например, может показаться, что создание произведений искусства и музыки имеет очень мало общего с поддержанием общества, но их истоки могут проистекать из необходимости передавать информацию и создавать связи между сообществами, и по сей день они обогащают жизнь бесчисленными способами. Возможно, подобно вихрям, закручивающимся в первичном потоковом поле, давление отбора на вспомогательные функции может стать настолько далеким от основных функций их систем-хозяев, что их можно эффективно рассматривать как независимо развивающиеся системы, возможно, в конечном итоге вырабатывающие свои собственные основные функции [рассмотрим, например, сложную танцевальную культуру, для которой поколения райских птиц в Папуа-Новой Гвинее подвергались половому отбору (51)].

Способность постоянно создавать (или открывать?) Новые функции – отличительная черта жизни (52-56). Хотя некоторые из этих функций могут показаться нейтральными или даже вредными в отношении стабильности всей системы, в целом появление новизны имеет потенциал для дальнейшего переплетения основных функций в рамках множества циклов обратной связи, которые дополняют их стабильность и / или усиливают их эффективность. В качестве упрощенного примера, изобретение полета дало животным новые векторы, с помощью которых они могли продолжать выполнять свои основные функции, делая многочисленные линии организмов более успешными в выживании и размножении.

Другой ключевой особенностью вспомогательных функций в биологии является эксаптация — изменение функции с течением времени (57). Возвращаясь к примеру с полетом, было высказано предположение, что крылья насекомых изначально служили целям терморегуляции (58), а перья, возможно, выполняли функции терморегуляции, отображения и биомеханической поддержки, прежде чем помогать в полете (59). Концепция адаптации подчеркивает важность контекста в эволюции вспомогательных функций. Хотя инновации в области терморегуляции, как правило, приводят к образованию морфологий с большой площадью поверхности, которыми можно махать для создания потоков охлаждающего воздуха, эти структуры не будут приспособлены для полета, если они развиваются у животных, которые просто не предрасположены к такому способу передвижения [рассмотрим, например, большие уши слонов (60)].

Добавление новых функций, способствующих сохранению основных функций, существенно повышает "кинетический барьер” динамической системы против распада в направлении равновесия. Более того, система, способная исследовать новые участки фазового пространства, может получить доступ к новым источникам свободной энергии, которые помогут вывести систему из равновесия или продвинуть ее еще дальше от равновесия. В целом, во вселенной, которая поддерживает обширное пространство возможностей комбинаторного богатства, открытие новых функциональных конфигураций выбирается тогда, когда существует значительное количество функциональных конфигураций, которые еще не подвергались отбору. Следовательно, мы определяем “отбор третьего порядка” для новизны:

Существует давление отбора, благоприятствующее системам, которые могут открыто изобретать новые функции, т.Е. Давление отбора для генерирования новизны.

Расцвет искусства, литературы, музыки, игр и технологий в человеческой культуре может быть отражением присущего нам желания экспериментировать с нашим миром, открывать новые способы мышления, бытия и общения друг с другом. Хотя можно утверждать, что человекоподобные инновации имеют отрицательную адаптивную ценность, о чем свидетельствует заигрывание с саморазрушением (61), пока что наш эволюционный “успех” как вида можно приписать, в значительной степени, нашему любопытству (62). Возможно, именно способность человечества учиться, изобретать и принимать новые коллективные способы существования приведет к его долгосрочному сохранению как планетарного феномена (63-65). В свете этих соображений мы подозреваем, что обсуждаемые здесь общие принципы отбора и функционирования могут также применяться к эволюции символических и социальных систем, но более подробные рассуждения выходят за рамки настоящей статьи.

Чем более переплетенной становится совокупность систем, тем больше появляется вспомогательных функций и тем труднее определить причинно-следственные связи, независимые друг от друга. В жизни, которая, возможно, является воплощением сложных систем, причинно-следственная связь распределена по многим различным уровням организации, от микроскопического до планетарного. Например, на эмоции и действия человека влияет как кишечная микробиота (66–68), так и эфирные цифровые пространства, которые соединяют человеческие умы по всему миру (69–73). Преобладающая модель жизни как совокупности четко определенных индивидов, возможно, нуждается в пересмотре (74-80). Мы ожидаем смены биологической парадигмы, аналогичной скачку между классической механикой и квантовой механикой: точно так же, как мы заменили локализованные индивидуальные частицы и дискретные электронные орбитали волновыми функциями и электронными облаками, мы можем однажды заменить биологических индивидуумов более “размытой” сетевой картиной жизни. Такая точка зрения могла бы по-прежнему допускать существование отдельных единиц, но подчеркивала бы взаимосвязь между ними в онтологии, основанной на процессах (81, 82).

Наконец, мы можем соотнести три критерия, лежащих в основе всех сложных эволюционирующих систем (вспомним Определение многообещающей концептуальной эквивалентности среди разнородных эволюционирующих систем: разнообразие компонентов, процесс генерации новых комбинаций компонентов и давление отбора, действующее на эти комбинации), с концепциями, рассмотренными в этом разделе. Разнообразие компонентов во Вселенной обусловлено присущими им ”кинетическими" барьерами, которые препятствуют немедленному восстановлению равновесия. Эти барьеры также создают возможности для синтеза “аккумуляторов” свободной энергии, которые составляют движущую силу для доступа к различным комбинаторным состояниям, для создания которых, как правило, требуется термодинамическая работа; например, считается, что возникновение жизни обусловлено окислительно–восстановительным неравновесием, возникающим в результате эволюции зарождающихся планет земной группы (38, 39, 83-86). Будут выбраны конфигурации, которые сами по себе являются статически устойчивыми и способствуют созданию динамически устойчивых систем.

Функциональная информация и эволюция систем.

Все законы природы, приведенные в таблице 1, связаны с количественными параметрами, такими как масса, энергия, сила или ускорение. Существует ли эквивалентный параметр, связанный с эволюционирующими системами? Мы предполагаем, что ответом является информация (измеряемая в битах), в частности “функциональная информация”, введенная Шостаком и его коллегами (28, 87–89). Функциональная информация количественно определяет состояние системы, которая может принимать множество различных конфигураций с точки зрения информации, необходимой для достижения определенной “степени функционирования”, где “функция” может быть такой же общей, как стабильность по отношению к другим состояниям, или такой же специфичной, как эффективность конкретной ферментативной реакции.

Степень функциональности, E_x, является количественной мерой способности конфигурации выполнять функцию x. Например, для фермента E_x можно определить как увеличение определенной скорости реакции, достигаемое ферментом, тогда как для жидкости, текущей по зернистой среде, такой как песок, где возникает некоторая форма периодической структуры дюн, мы могли бы определить E_x как минимальную силу возмущения, необходимую для разрушения структуры дюн. При заданном наборе параметров наиболее устойчивой дюнной структурой должна быть та, которая противостоит наибольшему диапазону возмущений (90, 91). Единицы E_x зависят от характера рассматриваемой функции: каталитическая эффективность фермента может быть измерена, например, как уменьшение энергии активации, тогда как функция песка с рисунком может заключаться в максимальной устойчивости к внешним возмущениям потока (28).

Функциональная информация, I(E_x), вычисляется в терминах заданной степени функции (E_x). В большинстве случаев ничтожная доля, F(E_x), из всех возможных конфигураций системы достигает степени функциональности ≥ E_x. Таким образом, функциональная информация (в битах) определяется в терминах F(E_x):

���=-log2���.

В системе с N возможными конфигурациями (например, последовательность РНК из n нуклеотидов с N = 4ⁿ возможных последовательностей, предполагающая равную вероятность для всех последовательностей):

���=-log2���/�,

где M(E_x) равно числу различных конфигураций РНК со степенью функции ≥ E_x. Как правило, доля конфигураций, F(E_x), способных достигать определенной степени функциональности, будет уменьшаться с увеличением E_x (28, 87).

Этот простой формализм приводит к нескольким важным последствиям. Во-первых, максимально возможная функциональная информация для данной системы содержится в случае единой конфигурации, которая отображает максимально возможную степень функциональности, E_max:

��max=-log21/�=log2�in bits.

Таким образом, эта максимальная функциональная информация эквивалентна количеству битов, необходимому и достаточному для определения любой конкретной конфигурации системы. С другой стороны, минимальная функциональная информация любой системы равна нулю. Такая ситуация возникает для конфигураций с наименьшей степенью функции, E_min, поскольку все возможные состояния имеют E_x ≥ E_min:

��min=-log2�/�=-log21=0 bits.

Таким образом, функциональная информация должна возрастать со степенью функциональности, от нуля при отсутствии функции (или минимальной функции) до максимального значения, соответствующего количеству битов, которые необходимы и достаточны для определения любой конфигурации системы.

Важно отметить, что функциональная информация определяется только в контексте конкретной функции x. Например, функциональная информация каждого фермента больше нуля в отношении катализа по крайней мере одной конкретной реакции, но функциональная информация этого же фермента равна нулю или минимальна в отношении большинства других реакций. Таким образом, функциональная информация зависит как от системы, так и от контекста — конкретной рассматриваемой функции. Обратите также внимание, что если никакая конфигурация системы не способна выполнять определенную функцию x [т.Е. если M(E_x) = 0], то функциональная информация, соответствующая этой функции, не определена, независимо от того, насколько сложным кажется описание этого состояния.

Контекст определяет не только соответствующую функцию и степень, E(x), но и соответствующие факты об окружении системы. Мы предполагаем, что наше уравнение для функциональной информации может быть расширено за счет включения параметров, определяющих окружающую среду. Такие параметры будут отражать вероятность того, что система достигнет своей степени функциональности, учитывая различные возможные состояния окружающей среды. Поскольку эти зависящие от контекста особенности ситуации могут быть определены объективно, контекстная зависимость функциональной информации не является субъективной.

Формализм функциональной информации в равной степени применим как к физическим, так и к символьным системам (т.е. языкам; компьютерному коду; научным знаниям), поскольку эти развивающиеся системы имеют три общие критические характеристики: 1) Они состоят из множества взаимодействующих компонентов, 2) системы могут иметь комбинаторно большое количество различных конфигураций и 3) процессы отбора благоприятствуют некоторым конфигурациям, которые отображают полезные функции.

Существенным ограничением формализма функциональной информации является трудность вычисления I(E_x) для большинства представляющих интерес систем. Функциональная информация - это зависящее от контекста статистическое свойство системы, состоящей из множества различных конфигураций агентов: I(E_x) имеет значение только в отношении каждой конкретной функции. Для количественной оценки функциональной информации любой заданной конфигурации в отношении интересующей функции нам необходимо знать распределение E_x для всех возможных конфигураций системы, относящихся к интересующей области. Таким образом, определение функциональной информации требует всестороннего понимания агентов системы, их взаимодействий, разнообразия конфигураций и результирующих функций. Таким образом, анализ функциональной информации в настоящее время невозможен для большинства сложных развивающихся систем из-за комбинаторного богатства конфигурационного пространства. Даже если бы мы могли проанализировать конкретный случай, когда одна конфигурация позволяет выполнять функцию, мы обычно не можем знать, могут ли существовать другие решения с равной или большей функцией в конфигурационном пространстве (13).

Закон увеличения функциональной информации.

Формализм функциональной информации указывает на важную универсальную характеристику развивающихся систем:

Функциональная информация системы увеличится (т.Е. система будет эволюционировать), если множество различных конфигураций системы будут подвергнуты отбору для выполнения одной или нескольких функций.

Это утверждение имеет тесные параллели с ранее предложенным “законом возрастающей сложности”, который гласит, что естественный отбор, действуя в одиночку, имеет тенденцию увеличивать сложность системы (10, 11). Формализм функциональной информации усиливает и количественно определяет эту гипотезу, которая фокусируется на естественном отборе в эволюционирующих биологических системах. Мы предполагаем, что закон функциональной информации применим к широкому спектру физических, биологических и символических систем: любой механизм, который выбирает из совокупности состояний на основе большей степени функциональности, приведет к увеличению функциональной информации в отношении выбранной функции.

Почему это так? Давайте подробно рассмотрим временную природу функциональной информации. Две вещи могут привести к увеличению функциональной информации системы с течением времени: (а) пространство возможностей расширяется; или (б) степень функциональности (т.Е. Давление отбора) увеличивается. Таким образом, закон увеличения функциональной информации должен основываться не только на 1) существовании отбора, но также на 2) изменениях в пространстве возможностей и / или 3) изменениях давления (ов) отбора. Другими словами, I(t) реагирует на F(E_x, t) и E_x(t), так как же и почему изменяются F(E_x, t) и E_x(t)?

В книге "Истоки отбора и функции" мы рассмотрели, почему отбор для определенных состояний и явлений существует в нашей вселенной. Здесь давайте рассмотрим, почему пространство возможностей и давление отбора должны меняться, сначала для статически устойчивых систем, а затем для динамически устойчивых систем.

Увеличение функциональной информации в статически устойчивых системах.

Со временем становятся доступными новые компоненты по мере того, как системы осваивают новые пространства давления, температуры и состава (P–T–X). Космические катаклизмы, такие как вспышки сверхновых и слияния нейтронных звезд, подвергают звездный материал воздействию новых P–T–X режимов, при которых образуются тяжелые ядра. Когда планеты накапливаются из звездной пыли и дифференцируются в несмешивающиеся слои, происходит дальнейшее исследование P–T–X пространства и создаются новые полезные ископаемые. Здесь имеют место оба (a) и (b): пространство возможностей естественным образом расширяется по мере изобретения новых компонентов в новых пространствах P–T–X, и давление отбора меняется в зависимости от того, какие пространства P–T–X исследованы. Таким образом, с течением времени функциональная информация статически устойчивых систем меняется.

Например, в эволюции минералов мы могли бы объяснить увеличение функциональной информации по меньшей мере четырьмя факторами: 1) постоянно растущим разнообразием и доступностью элементных компонентов во вселенной; 2) постоянно увеличивающимися пространствами P-T-X, которые осуществляют парагенезис минералов; 3) постоянно увеличивающимся временем между кристаллизацией и настоящим, в течение которого минералы должны противостоять изменениям; и 4) тем фактом, что новые минералы часто возникают путем модификации предыдущего поколения новых минералов, что приводит к своего рода новизне, которая возможна только после прохождения предыдущей стадии происходит.

Увеличение функциональной информации в динамически устойчивых системах.

Для динамически устойчивых систем требования к стойкости определяются не просто врожденными кинетическими барьерами для распада. Планка стойкости может меняться со временем в зависимости от факторов окружающей среды, включая другие динамические системы. В жизни мы часто наблюдаем коэволюционные “гонки вооружений” между видами или группами, примером чего может служить “война продолжительностью в миллиарды лет” между вирусами и клеточными организмами (92). Когда две системы обработки информации конкурируют, они могут подталкивать друг друга ко все более высоким уровням сложности и, следовательно, к увеличению объема функциональной информации посредством генерации новых вспомогательных функций (например, новых форм передвижения) или путем достижения более высоких уровней обработки информации (например, перехода к сознанию) или новых уровней организации (например, многоклеточности). Когда добавляются новые функции и / или увеличивается степень (E_x) этих функций, доля конфигурационного пространства, которая может выполнять все эти функции, уменьшается, а функциональная информация увеличивается. Таким образом, способность системы реагировать на давление отбора в связи с новизной гарантирует, что ее функциональная информация будет увеличиваться.

Одним из отличий в отношении жизни является тот факт, что биологическая эволюция, по-видимому, носит “открытый характер”, создавая адаптации и новые пространства возможностей непредсказуемым и неразрешимым образом (55, 56, 93–95). Абиотические примеры, напротив, кажутся ограниченными. Недавняя работа показала, что комбинаторное фазовое пространство современной биосферы Земли значительно превышает комбинаторное фазовое пространство абиотической вселенной (96). Более того, биологическая и технологическая эволюция, по-видимому, увеличивает темпы инноваций в зависимости от времени (33, 97, 98). По крайней мере, жизнь на Земле развила способность регулировать свою эволюционность (99–105).

Возможно, кажущаяся неограниченность жизни объясняется просто тем фактом, что пространство возможностей живых систем намного больше, чем у абиотических систем. Такое большое пространство возможностей означает, что для его полного изучения требуется экспоненциально больше времени. Следовательно, судьба абиотических систем может казаться детерминированной, поскольку большая часть пространства их возможностей в конечном итоге будет исследована, в то время как судьба живых систем представляется неопределенной, поскольку за тот же период времени будет исследована меньшая часть пространства возможностей. Действительно, некоторые утверждают, что вселенная неэргодична выше ~ 500 Да — то есть у Вселенной не было достаточно времени, чтобы изучить все комбинаторное богатство сложных органических молекул (106).

Мы постулируем, что дополнительный фактор, способствующий кажущейся открытости жизни, обусловлен положительными обратными связями в биологической эволюции, которые отсутствуют в небиологических системах — например, по мере того, как биологические системы приобретают более широкие возможности обработки информации, они могут научиться использовать новые формы нарушения равновесия, что затем может способствовать открытию новых механизмов обучения. Эта точка зрения согласуется с наблюдением Чейссона об увеличении плотности свободной энергии сложных систем во Вселенной (107); однако мы предполагаем, что это чисто энергетическое объяснение является неполным. Мы предлагаем глубокую связь между скоростью сбора свободной энергии и обработкой информации, объединенную принципом отбора для основных функций.

Звезды (как пример минерала из книги "Увеличение функциональной информации в статически устойчивых системах") проходят последовательные стадии — процесс тройной альфа-реакции для образования углерода должен дождаться достаточного сжигания водорода для образования гелия и т.д. — Таким образом, можно сказать, что функциональная информация звезд увеличивается со временем. Однако, будучи динамически устойчивыми системами, которые не участвуют в обработке информации, звезды не способствуют увеличению объема своей функциональной информации таким же образом, как жизнь. Следовательно, способ передачи информации между жизнью и ее окружением, а также между жизнью и самой собой может быть наиболее отличительной чертой жизни от других явлений во Вселенной (108).

В качестве характерного примера коэволюции между жизнью и окружающей средой рассмотрим событие Великого окисления (GOE) (109). Хотя детали, сроки и история GOE все еще обсуждаются (110–115), общепризнано, что эволюция кислородсодержащего фотосинтеза у древних цианобактерий привела к тому, что состав атмосферы Земли из изначально бедного кислородом состояния (<10^-5 от современного атмосферного уровня) перешел в последовательность состояний, богатых кислородом (в настоящее время 21% атмосферы). GOE усилил все три движущие силы сложных эволюционирующих систем: 1) Обилие O₂ в атмосфере обеспечило дополнительный источник разнообразия компонентов (116); 2) O₂ предоставил новый источник свободной энергии для стимулирования комбинаторных исследований (117); и 3) как высокореактивный окислитель, O₂ также предоставил новый набор селективных критериев стойкости (118). Следовательно, GOE является парадигмой того, как генетика Земли — ее способность управлять эволюцией сложных систем (119) — и ее функциональная информация увеличивались на протяжении планетарной истории.

Применение к абиотической эволюционирующей химической системе: Титан.

Как показано в предыдущих подразделах, история Земли изобилует примерами возрастающей сложности, которые можно описать с помощью закона увеличения функциональной информации. Однако предлагаемый нами закон должен применяться не только к особенностям Земли, но и к широкому спектру других планетарных сред, в частности к тем, на которых нет жизни. Поэтому полезно рассмотреть, насколько идеи, изложенные в этом материале, актуальны для химически сложной, но совершенно иной окружающей среды спутника Сатурна Титана. Титан - это тело размером с планету с плотной атмосферой N₂–CH₄, которое получает солнечное излучение, достаточное только для поддержания температуры поверхности 95 К на экваторе. Жидкая вода — ключевой фактор минералогической, геоморфологической и биологической новизны на Земле — поэтому нестабильна на поверхности Титана. Метан, жидкость при температуре поверхности Титана, способная конденсироваться в жидкой и твердой форме в атмосфере, играет на Титане некоторые из тех ролей, которые вода играет на Земле.

Титан является главной астробиологической мишенью из-за его активной стратосферной фотохимии, питаемой ультрафиолетовым светом Солнца, который производит богатую органическую фотохимию, включая образование органических аэрозолей, которые выпадают на поверхность, защищенную от всего, кроме небольшого количества космического излучения (частиц). Хотя нет никаких доказательств существования жизни на Титане, богатая органическая химия Луны многое говорит нам о том, как абиотические процессы могут создавать химическую сложность и демонстрировать некоторую степень функциональности, повышающую устойчивость.

Например, петли обратной связи между химией, радиацией и динамикой позволяют текущему состоянию атмосферы Титана сохраняться порядка ~ 3 × 10 ⁷ лет (при условии отсутствия пополнения запасов метана в атмосфере) (120). Фотохимически генерируемые аэрозоли перехватывают поступающее солнечное излучение в центре атмосферы, создавая стратосферную тепловую инверсию, которая препятствует конвективному движению. Таким образом, углеводороды высшего порядка попадают в ловушку в области атмосферы Титана, где они затем усиливают органосинтез, производя дополнительные аэрозольные частицы (121). Таким образом, современная атмосфера Титана находится в состоянии динамической стойкости, где сложные органические аэрозоли играют функциональную роль в поддержании собственного творения.

Атмосфера Титана представляет собой пример системы, в которой существует богатое разнообразие компонентов (смесь соединений, содержащих C / H / N / O) и мощная движущая сила для исследования конфигурации (ультрафиолетовая фотохимия и энергичные частицы космических лучей), а также определенная степень функционального отбора (автокаталитическая обратная связь, описанная выше). Однако отбор на функционирование в газовой фазе атмосферы Титана является слабым, поскольку первичные продукты химического состава метана на порядки менее летучи, чем сам метан, и поэтому немедленно конденсируются в аэрозоли. Затем аэрозоли растут и опускаются на высоты ниже УФ-активной зоны в масштабе от месяцев до лет (122). Интересный вопрос заключается в том, может ли отбор по функции быть выше в этих конденсированных фазах, потому что химический состав происходит на поверхностях, а не в газовой фазе, уменьшая степени свободы и повышая реакционную способность. Далее мы рассмотрим химию после того, как эти материалы опустились на поверхность Титана, где геологические процессы могут воздействовать на них в очень широком диапазоне временных масштабов.

Большая часть энергии, которая достигает поверхности Титана, находится в форме химических связей в органических продуктах химического состава атмосферного метана, а не фотонов (120), и большая часть этой потенциальной энергии должна накапливаться в химических связях ацетилена (C₂H₂), исходя из фотохимических моделей (121). На поверхности Титана разнообразие компонентов должно быть эквивалентно таковому в стратосфере, хотя более высокая летучесть ацетилена потенциально позволяет ему концентрироваться к полюсам и вдали от органических веществ с гораздо более низким давлением паров, таких как цианистый водород (HCN). Тем не менее, данные Cassini показывают, что ацетилен присутствует как в низких, так и в высоких широтах (123).

Одним из возможных результатов, согласующихся с законом увеличения функциональной информации, является образование графена из ацетилена. Было продемонстрировано прямое выращивание графена из ацетилена на целевых субстратах (124), но росту может способствовать увеличение функциональности всей органической системы, присутствующей на поверхности Титана, в следующем смысле: графен является отличным адсорбентом молекулярного водорода (125). H₂ является основным продуктом фотолиза метана, который является отправной точкой всей фотохимии в стратосфере Титана. Вертикальный профиль H₂ в атмосфере Титана (полученный на основе измерений, проведенных космическим аппаратом Cassini и посадочным модулем Huygens) указывает на понижение в верхней части из–за утечки водорода в космос, как и ожидалось, но также требует понижения на поверхности Титана, что не было предсказано до Cassini-Huygens (126). Графен обеспечивает возможный поглотитель молекулярного водорода (125), но тогда возникает вопрос, почему графен был бы предпочтительным продуктом дальнейшей органической химии на поверхности Титана по сравнению с другими органическими твердыми веществами, такими как ацетонитрил (C₂H₃N) или цианоацетилен (C₃HN).

Здесь мы предполагаем, что образование графена из ацетилена может быть результатом химической эволюции, в рамках которой различные возможные конфигурации системы подвергаются отбору для выполнения функции адсорбции Н₂ как побочного продукта фотолиза. Образование либо ацетонитрила, либо цианоацетилена было бы эволюционным тупиком, поскольку они являются плохими адсорбентами молекулярного водорода. Но образование графена позволяет удерживать большие количества Н₂ в форме, доступной для восстановления метана в результате реакций с органическим сырьем на поверхности Титана. Контакт между молекулярным водородом, адсорбированным в графене, и другими органическими молекулами может происходить в результате физических возмущений, которые, как известно, происходят на поверхности Титана (метановые ливни, перенос по рекам и ветры), и подпитываться полимеризацией ацетилена или небольшим, но ненулевым потоком излучения частиц от галактических космических лучей высокой энергии (120).

Применяя приведенные выше соображения, функциональная информация о поверхностной среде, где ацетилен преобразуется в графен на подходящей шаблонной поверхности, больше нуля, но функциональная информация о поверхностной среде, где ацетилен образует более простые структуры (такие как цианоацетилен), которые не требуют создания шаблонов, была бы равна нулю. В первом случае водород может накапливаться, что приводит к дальнейшим реакциям в местной среде, в противном случае бедной водородом; во втором случае водород был бы недоступен. Таким образом, функциональная информация зависит, как отмечалось выше, как от системы (ацетилен образует графен на подходящей матрице), так и от конкретной рассматриваемой функции, а именно от хранения молекулярного водорода. Типичными шаблонами для формирования графена являются металлические, но монослой из ранее существовавшего графена, по-видимому, позволяет выращивать дополнительные графеновые слои (127). Мы можем представить, что рост происходит на подходящей металлической поверхности, вызванный случайным ударом крупного метеорита, обеспечивая затравочную матрицу для дальнейшего производства графена.

Если водород, хранящийся в графене, действительно вступает в реакцию с образованием метана, это будет способствовать сохранению богатой метаном атмосферы Титана, которая является важной отправной точкой для всего органосинтеза на Титане. Такое самоподдерживающееся поведение водородно-метанового цикла Титана стало бы серьезной проверкой гипотезы о том, что существует закон увеличения функциональной информации, действующий в абиотической органической системе, которая не имеет доступа к биологической системе или взаимодействия с ней.

Как указано в Функциональной информации и эволюции систем, трудно рассчитать абсолютное значение функциональной информации системы атмосфера–поверхность Титана, учитывая обширность общего конфигурационного пространства такой системы. Однако общая схема будет выглядеть следующим образом: 1) решить, как описывать различные конфигурации системы (например, с помощью распределения атомов углерода и водорода); 2) определить соответствующие функции (например, круговорот метана посредством взаимодействия с графеном); 3) вычислить функциональную информацию путем определения доли конфигурационного пространства, которая может выполнять эту функцию в соответствующей степени (т.Е. Тех конфигураций, которые поддерживают динамическое постоянство богатой углеводородами атмосферы). Одним из рекомендаций было бы подсчитать количество конфигураций атомов углерода, которые обеспечивают высокую емкость для хранения химически доступного водорода, относительно общего количества конфигураций атомов углерода в различных твердых веществах, полученных фотохимией метана и последующей химией поверхности. Поскольку графен имеет очень специфическую структуру, которая обеспечивает высокое поглощение водорода, M(E_x)/N было бы небольшим числом, а функциональная информационная мера I(E_x) большой. Даже без знания абсолютного значения функциональной информации системы атмосфера–поверхность Титана, если на этой планете действует долгосрочная динамическая устойчивость, обусловленная химической эволюцией, это указывает на то, что функциональная информация системы увеличилась за геологическое время.

Существование графена на поверхности Титана вместо или в сосуществовании с более простыми продуктами химии ацетилена является гипотетическим, но это может быть определено с помощью миссии NASA "Dragonfly" (128). Поскольку винтокрылый аппарат предназначен для отбора проб различных типов поверхностей Титана, богатых органикой, с помощью масс-спектрометра, миссия сможет искать широкий набор органических соединений, указывающих на химическую эволюцию на поверхности, и тем самым проверять представленные здесь идеи.

Обсуждение

Закон увеличения функциональной информации имеет несколько последствий для поведения эволюционирующих систем.

1.

Некоторые функции по своей сути более информативны, чем другие: некоторым рибозимам, например, требуется длина последовательности в несколько десятков нуклеотидов для проявления сколько-нибудь значительной степени функциональности. Однако, если рибозим достигает высокой степени функционирования, например, с последовательностью всего из 10 нуклеотидов, то функциональная информация не может превышать I_max ≤ −log₂(1/4¹⁰) = 20 бит. Аналогичным образом, некоторые концепции в естественных науках или математике могут быть полностью выражены меньшим количеством битов, чем другие. В контексте происхождения жизни это наблюдение подчеркивает возможность того, что если некоторым ключевым функциональным пребиотическим макромолекулам требуется всего несколько мономеров, то их появление может быть детерминированным, поскольку все возможные короткие последовательности, вероятно, присутствуют в местной популяции.

2.

Функции, которые не подвергаются селективному давлению, могут оставаться постоянными или уменьшаться в степени их функционирования: Ряд исследователей продемонстрировали, что в биологических системах “давление отбора длины” может привести к существенному уменьшению оптимального размера системы, особенно когда ограниченные ресурсы или быстрая репликация дают преимущество экономным геномам (12, 129–131). Такое сокращение может повлечь за собой потерю некоторых функций, но все же представлять собой увеличение функциональной информации о выбранной функции.

3.

Различные системы обладают разной степенью, до которой они могут продолжать эволюционировать: “Потенциальная сложность” или “будущая сложность” были предложены в качестве показателей того, насколько более сложной может стать эволюционирующая система (12). Функциональная информация потенциально может облегчить оценку этих параметров. Если для данной функции мы можем определить взаимосвязь между I(E_x) и E_x, то мы можем определить, насколько мы близки к E_max [и I(E_max)]. Затем мы можем оценить перспективы изменения параметров, которые могли бы увеличить функциональную информацию системы.

4.

На скорость эволюции некоторых систем можно влиять искусственно: формализм функциональной информации предполагает, что скорость эволюции в системе может быть увеличена по меньшей мере тремя способами: 1) за счет увеличения числа и /или разнообразия взаимодействующих агентов, 2) за счет увеличения числа различных конфигураций системы; и /или 3) за счет усиления селективного давления на систему (например, в химических системах за счет более частых циклов нагревания/ охлаждения или увлажнения/сушки). Будущие эксперименты по химической эволюции, а также моделирование искусственных эволюционирующих систем (особенно тех, которые связаны с поиском новизны), возможно, позволят определить количественные показатели того, как можно регулировать скорость эволюции, изменяя важные параметры и движущие силы.

5.

Эволюционирующие системы перекрывают друг друга и взаимозависимы: примеры нуклеосинтеза, минералов и биологии - это всего лишь три примера глубоких связей между эволюционирующими системами. Минералы не могли образоваться без предшествующего нуклеосинтеза, в то время как жизнь (по большинству мнений) не могла возникнуть без минералов (132–138). Аналогичным образом, многочисленные развивающиеся технологические и символические системы должны были ожидать эволюции человеческого общества (139). Структура передачи информации, присущая этим взаимосвязанным системам, представляет собой своего рода всепроникающее ”информационное поле" с градиентами и скоростями передачи, которые могут иметь параллели в физических и химических системах.

Учитывая повсеместное распространение эволюционирующих систем в мире природы, кажется странным, что один или несколько законов, описывающих их поведение, не появились быстрее [хотя обратите внимание на важный вклад Прайса (140)]. Возможно, доминирование дарвинистского мышления — ложное приравнивание биологического естественного отбора к “эволюции” в широком смысле — сыграло определенную роль. Но это не вся история.

Более глубоко укоренившимся фактором отсутствия закона эволюции может быть нежелание ученых учитывать ”функцию" и “контекст” в своих формулировках. Показатель информации, основанный на функциональности, предполагает, что учет контекста системы изменяет результат вычисления, и что этот контекст приводит к предпочтению конфигураций с большей степенью функциональности. Асимметричная траектория, основанная на функциональности, может показаться противоречащей научному анализу. Тем не менее, мы предполагаем, что отбор, основанный на статической устойчивости, динамической устойчивости и генерации новизны, является универсальным процессом, который приводит к созданию систем с повышенной функциональной информацией.