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.
Приведем обобщающий пример биохимической реакции с участием фермента.
1. Присоединение субстрата (первоначального продукта) к ферменту с образованием фермент-субстратного комплекса.
2. Преобразование фермент-субстратного комплекса в один или несколько переходных комплексов за одну или несколько стадий.
3. Превращение переходного комплекса в комплекс фермент-продукт.
4. Отделение конечных продуктов от фермента.
Приведем еще пример, с неорганическими веществами. Это, так называемая реакция Белоусова-Жаботинского, которая есть каталитическое окисление различных восстановителей кислотой НВrO3. При этом наблюдаются колебания концентраций окисленной и восстановленной форм катализатора и некоторых промежуточных продуктов. Реакция идет в кислом водном растворе; в качестве катализаторов используют ионы металлов переменной валентности, например, селен или марганец, в качестве восстановителей – малоновую кислоту (C3H4O4), и др. Колебания концентраций окисленной и восстановленной форм катализатора сопровождаются колебаниями окраски раствора от бесцветной к желтой или от голубой к красной при различных катализаторах.
При проведении реакции Белоусова – Жаботинского в закрытой системе можно наблюдать до несколько тысяч циклов изменения цвета раствора; в проточном реакторе колебания поддерживаются сколь угодно долго. В не перемешиваемом растворе, где исключена конвекция, наблюдаются бегущие концентрические волны, образующие самоподдерживающиеся динамические структуры.
Таким образом, мы приходим к заключению, что в микромире атомов и молекул также возможно спонтанное, самопроизвольное возникновение алгоритмов.
Третья группа алгоритмов довольно гипотетична и пока находится в стадии накопления информации. Исключение составляет найденные автором аналитические решения системы дифференциальных уравнений Максвелла [24], которые дают замкнутый материальный объект в пространстве, функционирующий во времени (Рис. 4), т.е. алгоритм.
Рис. 4. Решение уравнений Максвелла в виде структуры, основанной на гиперболических функциях.
Вообще эти уравнения написаны на основе экспериментального явления. Изменение электрического поля (причина) вызывает изменение магнитного поля (следствие) и наоборот, т.е. элементарного алгоритма, состоящего всего из двух действий.
Полученный объект очень похож на элементарную частицу, но пока неясны до конца его свойства, так как уравнения Максвелла связаны с классической физикой и не могут дать квантовых свойств, которыми обладают все, без исключения, элементарные частицы. Например, спин. На рисунке шкалы на осях координат в метрах.
Необходимы дальнейшие исследования полученных решений. Это требует усилий многих ученых, так как полученные формулы решения чрезвычайно громоздки. Их анализ требует значительного времени и сил, которых у меня нет.
Предполагается, что стабильность элементарных частиц, атомов и молекул обеспечивают именно алгоритмы функционирования физических полей.
Таким образом, мы выяснили возможность существования процессов, идущих независимо от естественного роста энтропии.
3. Эволюция Жизни на нашей планете
Обсудим теперь процесс самоорганизации в биологических системах. Предыдущий вывод о неизбежности роста энтропии в любых системах нам не помешает. Была бы энергия. Нам необходимо найти некий «механизм», который обеспечил бы самоорганизацию биологических объектов, и обеспечил бы компенсацию неизбежного роста энтропии.
Сделаем мысленный эксперимент. Возьмем небольшой ящик и набросаем туда кусочки проволоки, свитые в виде пружинок разного диаметра и длины. Расположение их будет хаотично. Но давайте встряхивать ящик, имитируя действие внешней среды. Пружинки моментально зацепятся друг за друга и, через некоторое время мы получим единственное тело, состоящее из сцепившихся пружин. Это, конечно, нельзя назвать порядком, но энтропия явно снизилась. Это уже не беспорядок. Эксперимент можно усложнить, специально изготовив отдельные тела со многими зацепами и углублениями на поверхности, которые подходили бы друг к другу, как ключ к замку. Если теперь опять потрясти ящик, то уже будет интересно заглянуть внутрь. Там могут оказаться далеко не простые тела.
А теперь перейдем к молекулам! Соберем некоторые простые химические вещества, из которых могли бы образоваться органические молекулы в один сосуд и посмотрим, что получится. Можно и потряси наш состав, т.е. подогреть сосуд. Можно добавить и другие возбуждающие факторы (разряды электричества). Мы пришли к опыту Стэнли Миллера. Заметьте, мы не отвергаем закон естественного нарастания неопределенности. Просто весь остальной мир находится под действием случайных явлений и энтропия там растет. У нас тоже не избежать этого. В первом примере надо подождать, когда пружинки распадутся от ржавчины.
Рис. 5 Опыт Миллера-Юри
В опыте Миллера образовались сложные вещества из простых. Атомы защелкнулись в сложные органические молекулы («зацепились друг за друга»). Разрушить их можно только преодолев некоторый энергетический порог. Это известный классический эксперимент, в котором симулировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химического предопределения эволюции [9]. Фактически это был экспериментальный тест гипотезы, высказанной ранее о том, что условия, существовавшие на первобытной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Был проведён в 1953 году Миллером и Юри. Аппарат, предназначенный для проведения эксперимента, показан на рис. 5.
Вода в нижней колбе подогревалась, и пар попадал в стеклянный сосуд, где смешивался с газами, смесь которых соответствовала тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли. Через неё пропускались электрические разряды.
После двух недель работы системы жидкость в колбе стала приобретать темный красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил в ней 5 аминокислот! Более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот. Аминокислоты – органические соединения, из которых, в частности, состоят белки нашего организма.
Вывод таков. Порядок, определенность могут увеличиться локально и на некоторое конечное время без привлечения термодинамики к объяснению этого явления. Такое возможно для дискретных явлений. Особенность этих явлений заключается в том, что при переходе некоторой системы из одного состояние в другое необходимо затратить энергию. Вероятности состояний системы после таких «переключений» равны единице или нулю.
Сделаем ещё один шаг. На древней Земле и при огромном располагаемом времени, могли образоваться не только сложные органические молекулы, но и определенные последовательности неодинаковых химических реакций, вызывающих одна другую [3, 5, 6, 9, 27]. А это уже алгоритмы, цепи последовательных реакций химических веществ. Эти цепи могут замкнуться. Получится цикл, кольцевой алгоритм, который также дискретен и функционирует во времени. Такие алгоритмы есть и для неорганических веществ (синергетика). Для их разрушения опять нужно преодолеть некоторый порог энергии.
В организмах и в их связях с внешней средой присутствует множество алгоритмов. Некоторые из них образовались при зарождении Жизни и явились её основой, другие – прошли путь эволюции, т.е. появлялись в её процессе (фотосинтез, терморегуляция и т.д.) [3, 6, 7].