Нетрудно видеть, что если мы соединим множество не обязательно одинаковых систем с внутренней положительной обратной связью в линейную цепь, то они будут последовательно возбуждать друг друга. Получим цепь причинно-следственных дискретных явлений, т.е. алгоритм. Теперь соединим конец этой цепи с её началом и возбудим неким внешним толчком. Образуется замкнутый цикл – замкнутый алгоритм. И сам этот цикл оказывается дискретным явлением – он либо есть, т.е. он работает, либо его нет (не работает). Промежуточных состояний в принципе не может быть! Понятно, что и в этом случае нужен приток энергии. И в каждом конкретном случае необходимо разбираться как, в каком виде эта энергия поступает. Приведем весьма характерную для биологов цитату Ричарда Докинза [5]: «Когда креационисты (церковники – ЛШ) говорят, как они часто делают, что теория эволюции противоречит второму закону термодинамики, они говорят нам не больше, чем то, что они не понимают второй закон (мы уже знаем, что они не понимают эволюции). Нет никакого противоречия, из-за солнца! Вся система, говорим ли мы о жизни или о воде, поднимающейся в облака и падающей снова, в конечном счете, зависит от постоянного притока энергии от солнца. Никогда фактически не нарушая законов физики и химии – и, конечно, никогда не нарушая второй закон – энергия солнца поддерживает жизнь, вытягивая все возможное из законов физики и химии, чтобы эволюционировали потрясающие достижения сложности, разнообразия, красоты и странной иллюзии статистического неправдоподобия и преднамеренного созидания». Конечно, второй закон термодинамики здесь не причем. Как мы говорили выше, биологические системы не связаны с этим законом. Но Докинза можно понять. Он находится во власти широко распространенной путаницы – второй закон термодинамики распространяется на все системы природы. Есть более общий закон о необратимости природных явлений. Он действует так же, но нельзя второй закон термодинамики выносить за границы этой науки; в ситуации, описанной в цитате, он не приемлем.
Но как солнце «вытягивает» энергию, совершенно необходимую для эволюции? Да, конечно, за счет фотосинтеза. За счет работы алгоритма, открытого природой где-то около 2,5 миллиардов лет назад. И заметьте, дорогой читатель, что этот алгоритм работает и сейчас. Он не изменился. Попробуйте найти еще один пример такой стабильности. Образовывались и исчезали горы и моря, двигались материки, были и другие ужасные катастрофы на планете, а алгоритм остался. Вся история человеческой цивилизации – мгновение перед этим сроком. Но вернемся к подробному рассмотрению алгоритмов.
Мы рассматриваем алгоритмы, воплощенные материально. Система, функционирующая по неким алгоритмам, всегда находится в окружающей среде, которая может изменяться со временем. Эти изменения могут быть случайными. Поэтому время функционирования нашей системы ограничено. Рано или поздно внешние воздействия окажутся настолько сильными, что разобьют её алгоритм. Закон о необратимости природных процессов восторжествует. Поэтому такие алгоритмические системы могут существовать только в некотором, благоприятном для них диапазоне внешних условий.
Возможны ли такие алгоритмы в природе? Конечно возможны, так как обратная связь существует в многообразных проявлениях. Например, кругооборот воды в природе. Солнце испаряет воду с поверхности земли и воды. Пар поднимается в верхние слои атмосферы и конденсируется, накапливаясь в облаках. Капли образующейся при этом воды укрупняются и падают обратно на землю. Причем облака могут быть унесены ветром на большое расстояние. Этот грандиозный циклический процесс (алгоритм) является одним из условий возникновения и существования жизни на Земле.
Для наших рассуждений важно еще одно обстоятельство. Множество систем, имеющих внутренние алгоритмы функционирования, может быть не обязательно линейным. Например, выход одной из систем подключен не к одной последующей системе, а к двум. И вторая система включена в другой цикл. Нетрудно обобщить эту идею на как угодно большое число связанных между собой алгоритмов и комплексов систем, где они осуществляются. Более того, легко представить некий комплекс алгоритмов, который будет менять свое функционирование от внешних воздействий (сигналов). Дело в том, что возможна ситуация, когда сигнал поступает на входы двух систем, но их свойства изменились по сравнению с прошлым циклом, например, уменьшилась чувствительность входа одной из систем, и она в этом случае перестанет принимать поступающий сигнал. А это означает, что может начать работать другой алгоритм – произойдет переключение алгоритмов. Например, животное спит. Вдруг поступает сигнал от органа слуха, что кто-то приближается к нему. Вдруг это хищник. Животное вскакивает и убегает. Конечно, под действием сигнала из внешней среды произошло переключение алгоритмов организма. В технических устройствах, в компьютерных системах это явление специально организуется и широко используется.
Алгоритм дискретен, и поэтому его трудно разрушить случайными воздействиями. Он как бы противостоит им за счет положительной обратной связи. Мы с вами – организмы, имеющие большое количество алгоритмов, связанных между собой в единое целое. Именно функционирование этих алгоритмов, их дискретность противостоит разрушающему влиянию внешней среды [3]. Существенным оказывается не только устройство системы, но и её функционирование. Для организмов прекращение функционирования внутренних алгоритмов означает смерть.
Разбираясь со второй группой алгоритмов, сразу заметим, что они существуют, давно открыты и плодотворно изучаются. Есть они и в неживой природе. Чего стоит, например, только самопроизвольный рост кристаллов. Вообще, атомы и молекулы дискретны. Это факт. Они «защелкиваются» в определенной взаимосвязи элементарных частиц, разрушить которую всегда трудно. Вообще, процессы взаимодействия дискретных частиц между собой очень многообразны. И результат этих процессов опять дискретен. Имеются в виду химические реакции.
При этом кажется очевидным, что молекулы, грубо говоря, имеют определенную форму в пространстве. Для очень многих веществ эта форма известна, известна и величина связей между атомами в молекуле, и направление связей в пространстве. При этом появляется, так называемое, смещение внутренних зарядов молекулы. Характерный пример – вода ( Рис.3).
Рис. 3 Молекула воды.
Химические связи её молекулы полярные: кислород подтягивает к себе электронные облака («орбиты») водорода. Вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода – положительный. Поэтому и вся молекула воды попадает в отряд веществ, молекулы которых представляют собой электрические диполи. Это явление порождает множество необычных свойств воды. Её молекулы, притягиваясь различными полюсами, могут образовывать цепочки и более сложные конгломераты (кольца и т.п.), обволакивать молекулы или ионы некоторых других веществ водяной оболочкой и т.д.
Следовательно, в общем случае, молекулы, находясь рядом, могут поворачиваться относительно друг друга в соответствии с электрическими зарядами, которые «выступают на их поверхности». Эти силы взаимодействия могут быть, очевидно, различными у разных веществ и этому есть множество примеров. Прежде всего, это рост кристаллов. Их молекулы «защелкиваются» в определенном дискретном состоянии, и остаются в этом состоянии в некотором диапазоне параметров внешней среды.
Интересно то, что если молекулы нескольких разных веществ находятся рядом, например, в каком-нибудь растворе, то они, очевидно, будут поворачиваться друг к другу разноименными полюсами. При этом их будут непрерывно встряхивать удары соседних молекул. Сила этих ударов зависит от температуры среды. Примером такого взаимодействия является электролитическая диссоциация, когда молекулы воды настолько сильно взаимодействуют с растворенной в ней, например, кислотой, что разделяют её молекулы на ионы, окружая их сплошной оболочкой.
Развивая эту мысль дальше, мы приходим к известному выводу, что это явление поляризации молекул будет влиять на взаимодействие реагирующих между собой веществ (на химические реакции). Это особенно касается сложных молекул, которые имеют много «выступающих» зарядов и сложную форму. Кажется очевидным, что две молекулы, повернутые друг к другу, будут реагировать во времени по разному в зависимости от угла этого поворота. Так нельзя ли как-то организовать благоприятное расположение молекул перед реакцией. Оказывается можно! И природа нашла поразительный метод его осуществления. Это катализ, когда при химической реакции присутствует вещество (катализатор), не участвующее в ней, но влияющее на её скорость или другие параметры. Катализаторы широко применяются в промышленном производстве химических веществ. Особенно большое значение имеет катализ в биохимии, где катализаторы имеют специальное название – ферменты. Например, реакция расщепления мочевины в организмах идет в присутствии специфического только для этой реакции фермента – уреазы. Исходный продукт разлагается на аммиак и углекислый газ. Конкретные механизмы катализа разнообразны и некоторые из них объяснены.