Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул - Эйген М.
Скачать (прямая ссылка):
§ 1.2. Предпосылки самоорганизации
1.2.1. Эволюция должна начинаться со случайных событий. «В начале» — каков бы ни был точный смысл этого понятия — по-видимому, имелся молекулярный хаос, и в гигантском многообразии химических соединений не было никакой функциональной организации. Таким образом, самоорганизация материи, которую мы связываем с «возникновением жизни», должна была начаться со случайных1 событий. Из этого утверждения нельзя, однако, сделать вывод, что какие-либо, пусть даже примитивные, организмы, существующие в настоящее время, могли возникнуть в результате случайной сборки.
Несколько лет назад Е. Вигнер [16] написал статью «Вероятность существования самовоспроизводящейся системы», в которой он в неявной форме высказал подобное предположение. Суть его рассуждений сводится
1 Термин «случайный» относится, конечно, к отсутствию функциональной организации, а не к отсутствию физических (т. е. атом* ных, молекулярных или даже надмолекулярных) структур.
14
Глава 1
к следующему. Допустим, что состояние «живого существа», а также состояния веществ, которыми оно питается, и состояние продуктов его метаболизма полностью заданы в квантовомеханическом смысле, т. е. могут быть описаны векторами в гильбертовом пространстве. Тогда, процесс воспроизведения, т. е. взаимодействие организма с питательной средой, приводящее к редупликации организма, описывается преобразованием, в которое входит унитарная «матрица столкновения» S. Если предположить, что 5 — случайная матрица, то оказывается, что число уравнений, задающих это преобразование, значительно превосходит число неизвестных (т. е. компонентов векторов); при этом Избыток равен разности N2R — (Л'+ ¦/?-)-М?), где N и R — любые большие числа. Фактически для. любого реального случая N и R настолько велики, что, как правильно заключает Вигнер, «было бы чудом», если бы уравнения преобразования выполнялись для какого-то набора неизвестных (утверждение, которое остается справедливым также и в том случае, если живому организму соответствует много альтернативных состояний).
Однако все это рассуждение основано на предположении, что 5 действительно является существенно случайной матрицей и, следовательно-, взаимодействие не «инструктировано», т. е. вероятность любого данного состояния ничтожно мала по сравнению с большим числом возможных состояний. Этот результат может привести только к заключению, что никакое сложное состояние материи, которое мы теперь называем живым, не может возникнуть в результате случайной сборки. Наличие инструктирования на молекулярном уровне, означающее, что матрица преобразования 5 должна иметь очень специальный вид, может потребовать приспособления статистической механики к описанию процессов отбора и эволюции, но это вовсе не означает, «что современные законы и понятия квантовой механики необходимо модифицировать, прежде чем их можно будет применить к проблеме жизни» [16]1.
1 В мои намерения не входило обсуждать здесь определенные трудности применения квантовой механики для описания «макроско*
1.2.2. Инструкция требует информации. Я думаю, что именно Норберт Винер впервые предложил рассматривать информацию как новую физическую переменную. Мы имеем в своем распоряжении развитую теорию информации, начало которой положили работы Дж. фон Неймана, Н. Винера, К. Шеннона и других (литературу см. [17, 18]). Не можем ли мы воспользоваться этой теорией для решения интересующей нас проблемы самоин-структирования?
Теория информации в современном понимании — это в основном теория связи. Она имеет дело с проблемами переработки, а не «генерации» информации. Она требует, чтобы информация была задана с самого начала во вполне определенной форме. Только после этого теория может сказать нам, как закодировать сообщение и как использовать избыточность; она может также сказать нам, как согласовать сообщение с возможностями перерабатывающих устройств, чтобы передать его через каналы с шумом, отфильтровать шум и восстановить сообщение с помощью устройств, сверяющих код; однако ей всегда требуется кто-то — обычно человек, чтобы с самого начала определить, что считать «информацией» и что «бессмыслицей».
Это обстоятельство отражено уже в самом определении информации. В простейшем случае, если мы хотим отобрать ситуацию с Z\ событиями из Z0 исходных событий, имеющих равную априорную вероятность, то для того, чтобы свести Z0 возможностей к Zu необходимо следующее количество информации:
/, =» /С In (Zq/Zj). (1.1)
Если мы хотим отобрать одно определенное событие, т. е. Zi = 1, нужное количество информации равно
I = K\nZ0. (1.2)
Это — определение. Оно выбрано таким образом, чтобы превратить совместные вероятности (которые
пических процессов». Эти трудности возникают и при рассмотрении других хорошо известных физических процессов, которые не связаны с феноменом жизни. На это обстоятельство обратил мое внимание X. Примас.
