С л
О НАУЧНОМ вИвПИЗЕ ЭВОПЮЦИИ, ПРОГРЕССА И БУАУШЕГО ЧЕПОВЕЧЕСТВв
V_)
Кандидат физико-математических наук А. М. МАКАРЬЕВА, доктор физико-математических наук В. Г. ГОРШКОВ (Петербургский институт ядерной физики), доктор технических наук П. А. ВИЛЬДЕРЕР (Мюнхенский технический университет)
Существует ли конечная цель биологической эволюции и прогресса цивилизации. За последние два столетия в ходе научно-технического прогресса сформировались определённые взгляды на место человека в биосфере. Из накопленных данных об ископаемых видах однозначно следует существование биологической эволюции, в ходе которой усложняются и совершенствуются морфология и поведение организмов. Поскольку человек занял всю сушу и вытеснил остальные виды из их ареалов с помощью научно-технического прогресса, он считается победителем этого эволюционного процесса. Без ущерба для человечества естественные виды биосферы могут быть уничтожены и заменены искусственными сортами растений и породами животных, поддерживающими жизнь людей. Научно-технический прогресс рассматривается как аналог эволюционного процесса, в ходе которого усложняется и совершенствуется человеческое общество. Считается, что это усложнение требует постоянно растущего потребления энергии, так как с уменьшением потребления энергии из окружающей среды системы приближаются к термодинамическому хаосу. Целью человечества, таким образом, считается неограниченное развитие научно-технического прогресса во всех мыслимых направлениях.
Развитие продолжается, несмотря на отсутствие возможности выяснения его последствий. Предпринимаются попытки сделать это развитие устойчивым, например, добиться бескризисного экономического роста с ничем не ограничиваемой скоростью. Однако, в отличие от устойчивого развития зародыша во
взрослую особь, которое происходит в соответствии с генетической программой вида, научно-технический прогресс и основанное на нём развитие экономики не имеют программы. Устойчивое движение глобальной цивилизации в непредсказуемом направлении может привести к глобальной катастрофе. Чтобы застраховаться от неблагоприятных последствий, необходимо разработать единую научную теорию, позволяющую предсказывать будущее цивилизации по известным законам природы и научным данным об обществе людей и биосфере. Эта статья представляет собой попытку продвинуться в этом направлении.
Информационная пропасть между биосферой и цивилизацией. Солнце посылает на Землю упорядоченную энергию в виде коротковолновых фотонов, которые превращаются в неупорядоченную энергию тепловых фотонов, испускаемых обратно в космос. Энергия одного фотона пропорциональна кТ (к = = 1.4 х ю-23 Дж/К - постоянная Больц- * мана, Т- абсолютная температура излу- § чения). Энергия солнечных и тепловых ъ фотонов определяется температурой ° излучения Солнца Тс ~ 6000 К и Зем- 1 ли Тз ~ 300 К, соответственно. Энергия £ солнечного фотона после его распада 1 на тепловые фотоны сохраняется. Следовательно, кТс = пкТз и п » 20: каждый | солнечный фотон распадается на Земле § в среднем на 20 тепловых фотонов. Этот « распад может происходить в различных ц каналах. Неограниченное информаци- * онное разнообразие каналов распада и = поддерживает все упорядоченные процессы в неживой и живой природе Зем-
© А.М. Макарьева, В.Г. Горшков, П.А. Вильдерер
65
ли. Если бы Солнце посылало на Землю тот же поток энергии, что и сейчас, но в виде тепловых фотонов, испускаемых Землёй, то температура земной поверхности могла бы быть такой же, как и сейчас. Но распад этих тепловых фотонов был бы невозможен. Все каналы распада были бы закрыты, и никаких упорядоченных процессов в неживой и живой природе на такой по-прежнему тёплой Земле быть бы не могло. Жизнь на Земле не могла бы существовать.
Основное отличие процессов жизни от процессов неживой природы заключается в том, что жизнь использует на десятки порядков более сложные каналы распада, чем неживая природа. Связано это с тем, что упорядоченность биологических систем характеризуется молекулярными (а не макроскопическими) степенями свободы или "ячейками памяти". На каждый квадратный микрон поверхности Земли приходится несколько независимо функционирующих живых клеток - планктона в океане, растений, бактерий и грибов на суше. Эти клетки неслучайным образом реагируют на локальные изменения окружающей среды. Обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой происходит в клетке на основе генетической программы, записанной на молекулах ДНК. Скорость обмена информации клетками с окружающей средой можно оценить, зная величину скорости потребления ими энергии. Поглощение клеткой растения одного солнечного фотона приводит при его распаде на тепловые фотоны к изменению состояния около двадцати молекулярных ячеек памяти * внутри клетки. Считая, что молекуляр-8 ная ячейка памяти имеет два состояния, I возбуждённое (при поглощении энергии ° порядка кТЗ) и основное (после высво-
1 бождения этой энергии), получаем, что
2 один акт возбуждения и релаксации со-| ответствует потоку информации в один
бит за акт. Учитывая, что среднегло-I бальная эффективность фотосинтеза § составляет в = 0.5%, а средний поток <? солнечной энергии на земную поверх-| ность равен Р = 170 Вт/м2, получаем | оценку для полного потока информации = I, перерабатываемой живыми клетками на поверхности Земли площадью = = 5 х 1014 м2, I = вРБЗ/(кТЗ) = 1035 бит/с.
Между цивилизацией и биосферой существует непреодолимая информационная пропасть. Она проявляется как в полном потоке информации, так и в его энергетической эффективности. Если снабдить всех жителей Земли современными персональными компьютерами, совершающими 1011 операций в секунду, то полный поток обработки информации не превысит 1021 операций в секунду, что на 14 порядков меньше, чем в биосфере. Реальные скорости обработки информации цивилизацией существенно меньше. Например, поисковик Google обрабатывает данные со скоростью около 1013 бит/с, т.е. на 22 порядка медленнее, чем биосфера. Мощнейшие современные компьютеры способны выполнять около 1016 операций в секунду, занимают площадь порядка 102 м2 и потребляют мощность около 107 Вт. Их затраты энергии в пересчёте на операцию - порядка 10-9 Джоуля на операцию - на двенадцать порядков больше, чем в биосфере (кТЗ ~ 4 х 10-21 Дж). Если покрыть всю поверхность Земли такими суперкомпьютерами, то обрабатываемый ими полный поток информации составил бы 5 х 1028 бит/с - в два миллиона раз меньше, чем в биосфере. При этом такая компьютерная сеть потребляла бы поток энергии в пятьсот раз превышающий солнечный поток энергии, падающий на поверхность Земли, в сто тысяч раз - поток энергопотребления биосферы, и в миллион раз - современное энергопотребление цивилизации.
Для использования огромного количества каналов распада жизнь должна минимизировать величины энергии распада в каждом отдельном канале. И жизнь достигла в этом беспрецедентных возможностей. Из яйца, отложенного птицей, вылупляется цыплёнок без затрат внешней энергии. Затраты внутренней энергии у некоторых рептилий и насекомых не превосходят 10% от энергии, содержащейся в первоначально отложенном яйце. Формирование цыплёнка в яйце является необратимым процессом распада, характеризующимся недостижимым в цивилизации разнообразием каналов распада. Живая и неживая природа Земли поглощают не энергию, а информацию Солнца. Жизнь использует эту информацию с максимальной эффективностью.
Биотическая регуляция окружающей среды. Таким образом биосферу можно представить как глобальную распределённую систему микроскопических компьютеров. Общее количество таких одновременно действующих компьютеров (живых клеток) в биосфере имеет порядок 1030. А жизнь можно рассматривать как уникальный самоподдерживающийся алгоритм, реализующийся на Земле на основе генетической программы. Размножение (копирование) живых объектов является наиболее простым его элементом. Копирование свойственно многим простым процессам в неживой природе (например, цепным реакциям). Уникальным является тот факт, что алгоритм самовоспроизведения живых объектов ни разу не прервался в течение четырёх миллиардов лет. Это значит, что генетическая программа жизни включает в себя информацию по поддержанию условий своего существования. Именно сложность этой программы определяет сложность живых систем по сравнению с неживыми.
Биосфера и жизнь в целом могут существовать лишь в узком интервале условий внешней окружающей среды. Эти условия нуждаются в постоянном поддержании и управлении потому, что окружающая среда, пригодная для существования жизни, физически неустойчива. Биота (совокупность естественных живых организмов) использует огромные потоки информации для управления окружающей средой, чтобы обеспечивать её устойчивость в оптимальном для жизни состоянии. Приведём примеры некоторых ключевых аспектов биотической регуляции окружающей среды.
Для функционирования биоты необходимы запасы как органического, так и неорганического углерода. Эти запасы в современной биосфере имеют порядок 103 Гт С. Например, углекислый газ земной атмосферы, необходимый для фотосинтеза, содержит 700 Гт С. Того же порядка запасы биотически активного органического углерода в почве, древесине и океане. Скорость оборота углерода в биосфере порядка 102 Гт С/год. При существенной рассинхронизации потоков синтеза и разложения органического вещества запасы углерода в органическом или неорганическом резервуаре
могли бы быть израсходованы в течение десятилетий. Поддержание устойчивости резервуаров основных элементов, используемых жизнью, возможно при скоррелированном взаимодействии организмов, синтезирующих и разлагающих органику, в результате которого компенсируются отклонения окружающей среды от оптимального состояния. Так биотой было предотвращено катастрофическое накопление в атмосфере избыточного углекислого газа, непрерывно поступающего в атмосферу в результате процессов в земной коре. В отсутствие жизни содержание атмосферного СО2 за счёт его выбросов из земных недр увеличивалось бы вдвое за сто тысяч лет и должно было бы увеличиться в сто тысяч р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.