Demony życia

Demon nie jest zły. Ani nawet złośliwy. W gruncie rzeczy jest trochę naiwny. Zwłaszcza jeśli jego ambicje mierzyć jego wiedzą i umiejętnościami – bo potrafi bardzo niewiele. Wie, jak zmierzyć prędkość nadlatującej cząstki i potrafi odpowiednio szybko uchylić zasuwę, by cząstkę przepuścić do sąsiedniej komory.

Jeżeli cząstka porusza się wolniej niż wyznaczona prędkość krytyczna, nie robi nic; pozwala cząstce odbić się od zam­kniętej zasuwy i pozostać w swojej komorze.

Wywrotowa działalność

Chociaż może nie doceniłem przebiegłości demona, gdyż skutki jego działalności są drastyczne. Gdyby nie demon, ciśnienie gazu w obu komorach, przy otwartej zasuwie, wyrównałoby się i układ osiągnąłby stan równowagi, niezależnie od tego, w której komorze ciśnienie na początku było większe. Tak nakazuje prawo fizyki – druga zasada termodynamiki. Zgodnie z tą zasadą entropia układu (czyli miara stanu jego nieuporządkowania – więcej w ramce) powinna rosnąć, aż do osiągnięcia stanu równowagi (równego ciśnienia w obu komorach). Tymczasem demon sprawił, że zasada ta została przezwyciężona (nie złamana, gdyż demon podlega jednak prawom fizyki): ciśnienie w jednej komorze jest większe niż w drugiej. Tę różnicę można wykorzystać do wykonania pracy, na przykład do przesunięcia tłoka. Wyobraźmy sobie lokomotywę parową, w której cylindrach siedzą złośliwe (a jednak!) demonki i prowadzą swoją wywrotową działalność.

Ale przecież lokomotywy parowe jeździły (i ciągnęły za sobą sznur wagonów) bez pomocy demonów. Entropia – lokalnie – malała, choć kosztem dostarczanej z zewnątrz energii. Palacz musiał się nieźle napocić, dorzucając węgla. Lokalnie – bo w skali globalnej, to znaczy w układzie „lokomotywa – reszta świata”, entropia jednak wzrastała. Czy tu jednak również nie działał jakiś demon? Musiał on przecież wziąć skądś energię, przy jej pomocy wytworzyć różnice ciśnień w cylindrze, by w ten sposób poruszyć tłok – najpierw w jedną stronę, potem w drugą. Spójrzmy na starą, poczciwą lokomotywę – ile w niej rurek, kotłów, zaworów, pokręteł i innych urządzeń. Demonowi na imię „zespół inżynierów”, który to wszystko zaprojektował i uruchomił.

Działalność demona jest wszakże znacznie bardziej wyrafinowana niż kunszt i pomysłowość naszych inżynierów.

Niezwykle wydajnymi „maszynami antyentropijnymi” są organizmy żywe. Mamy więc prawo podejrzewać, że w tym obszarze demon jest szczególnie twórczy. Znany fizyk i autor, Paul Davies w swojej najnowszej książce „The Demon in the Machine” (czyli „Demon w maszynie”, jej lektura była inspiracją do napisania tego artykułu) podjął ten problem. Półtora wieku temu szkocki fizyk, James Clerk Maxwell, w liście do Petera Taita powołał do życia demona, który wkrótce na dobre usadowił się w podręcznikach fizyki. Pora, by dokładniej przyjrzeć się działalności demona w nowym środowisku współczesnej fizyki.

Istota życia to nie tylko niezwykle skomplikowany splot chemicznych reakcji, lecz również ściśle sprzężona z nimi informacja. Dotychczas wyobrażano sobie, że informacja, owszem, odgrywa ważną rolę w życiowych procesach, że jest zakodowana w genach i stamtąd steruje różnymi procesami. Teraz okazuje się, że nie tylko. Informacja niejako krąży w całym organizmie; jest sprzężona z chemicznymi reakcjami i dzięki temu sprzężeniu wymusza porządek. Jak pisze Davies: „Biologiczna informacja jest czymś więcej niż tylko zupą bitów, przenikającą materialną zawartość komórek i ożywiającą je – to by się niewiele różniło od witalizmu. Raczej wzorce informacji kontrolują i organizują chemiczną aktywność w taki sposób jak program komputerowy kontroluje działanie komputera. A więc wewnątrz fermentu skomplikowanej chemii ukryta jest sieć logicznych operacji”.

Nie ulega wątpliwości, że mini-demon Maxwella działa w żywych organizmach zarówno na poziomie komórkowym, jak i na poziomie całego organizmu. Życie jest procesem antyentropijnym, a demon Maxwella jest specjalistą od zmniejszania entropii. Strategia, jaką posługuje się demon, jest istotnie związana z manipulowaniem informacją. Jak pisze Davies: „Organizmy musiały doprowadzić do perfekcji gromadzenie i przetwarzanie informacji, w przeciwnym razie ugotowałyby się na śmierć we własnym cieple”. W istocie, to nie jest jeden demon, lecz miliony małych demonków, które otwierają i zamykają zapadki w wielu różnych procesach, jakie dzieją się na poziomie molekularnym.

Oczywiście, na poziomie nano i niżej obowiązują te same prawa fizyki co na poziomie makroskopowym, ale środowisko w skali komórek jest drastycznie odmienne. Każdy nano-demonek jest ustawicznie atakowany przez termiczny chaos otaczających cząsteczek (głównie wody, która stanowi większość środowiska komórkowego). Taki chaos nie może nie być destrukcyjny, ale stanowi również szansę dla demona, który działa na chwiejnej granicy pomiędzy destrukcją a twórczością i najwidoczniej potrafi robić użytek z energii wydobywanej z termicznego chaosu.

Jak wymazywać informację?

To, że istnieje ścisły związek między informacją a ciepłem, nie ulega wątpliwości. Rolf Landauer, jeden z pionierów nowoczesnej informatyki, wyliczył, że wymazanie jednego bitu informacji z pamięci komputera (w pokojowej temperaturze) produkuje 3 x 10-21 dżula ciepła. Jest to wielkość niezmiernie mała, ale zsumowana po wielkiej liczbie procesów obliczeniowych staje się wielkim problemem, tym bardziej że rzeczywiste komputery nie są doskonale wydajne i produkują znacznie więcej ciepła niż wynosi owo teoretyczne minimum, zwane dziś granicą Landauera. To dlatego nasze komputery grzeją się i wymagają chłodzenia. Komputer gromadzi tylko wyniki swoich operacji (obliczeń), natychmiast wymazując wszystkie obliczenia pośrednie, dzięki którym wynik otrzymał. Gdyby tego nie robił, jego pamięć szybko by się zapełniła i komputer przestałby działać. Stanowi to istotne ograniczenie zdolności obliczeniowej komputerów. I jednocześnie źródło ogromnych wydatków na chłodzenie.

Jak sobie demony życia radzą z tą nadprodukcją ciepła? Wiemy już, że demony działają na chwiejnej granicy między chaosem a uporządkowaniem i minimalizują efekty drugiej zasady termodynamiki przez przekształcanie chaotycznych ruchów cieplnych komórkowego środowiska w bity informacji. Davies – fizyk zauważa, że kwantowy demon mógłby stosować analogiczną, ale znacznie bardziej efektywną, strategię walczenia z ciepłem, przekształcając termiczny chaos środowiska, niszczący kwantowe splątanie cząstek (właściwość, dzięki której cząstki w pewnych warunkach „czują się na odległość”) w kubity informacji (kubit to kwantowy odpowiednik bitu). O potężnej wydajności takiego mechanizmu niech świadczy fakt, że kwantowy komputer, wykorzystujący jedynie 270 splątanych cząstek, mógłby przetworzyć o rząd wielkości więcej informacji niż konwencjonalny komputer, który wykorzystywałby do tego celu 1080 niesplątanych cząstek, czyli tyle cząstek, ile – jak się ocenia – znajduje się w obserwowalnym wszechświecie.

Byłoby dziwnym, gdyby demony przeoczyły taką okazję zwalczania entropii! Ale naukowa rzetelność nakazuje wyhamować entuzjazm. Na razie są tylko nieźle umotywowane przypuszczenia, ale brakuje twardych, empirycznych dowodów.

W każdym razie związek informacji z ciepłem ma znaczenie podstawowe. Nie bez powodu mówi się, że informacja jest ujemną entropią. Ciepło wiąże się z rozpraszaniem energii, czyli z wzrostem bałaganu, a informacja z porządkiem (każdy sensowny napis sprowadza się do ułożenia liter w uporządkowany ciąg). Landauer ukuł powiedzenie, że „informacja jest fizyczna”. Oczywiście, jest fizyczna w tym sensie, że zawsze wymaga nośnika: ciągu liter, zapisu na twardym dysku...

Ale ta sama informacja może być zapisana na różnego rodzaju nośnikach. Skopiowanie informacji z jednego nośnika na drugi nie zmienia jej samej. Informacja posiada więc pewnego rodzaju autonomiczny rodzaj istnienia. Czy jest więc czymś fizycznym, trochę podobnym do energii, czymś, co może powodować wymierne skutki w fizycznym świecie? Kwestia jest nadal dyskutowana, ale Davies nie zawahał się napisać, że dałby sobie głowę uciąć na rzecz odpowiedzi twierdzącej. Jego zdaniem „informacja podlega pewnym uniwersalnym regułom, wykraczającym poza konkretny, fizyczny hardware, w którym bity są urzeczywistnione”.

Nowe w fizyce życia

Jeszcze stosunkowo niedawno wydawało się, że gdy tylko zostanie odczytany cały genom człowieka, będziemy wiedzieli wszystko o programie, który steruje naszym życiem i, być może, naszymi decyzjami. Dziś, już przeszło od 15 lat, ludzki genom mamy odczytany, a jego „zeskanowanie” w przypadku konkretnego człowieka staje się coraz tańsze. Niewątpliwie dowiedzieliśmy się wiele o sobie, ale jesteśmy mocno rozczarowani. Informacja zawarta w genach to zdecydowanie nie wszystko, a nawet chyba nie większość tego, czegośmy się spodziewali. Reszta (tak zwana informacja epigenetyczna) krąży w naszych organizmach w postaci „strumieni informacji”, które przenikają nasze tkanki, komórki, organelle, łańcuchy białkowe, neurony i połączenia między nimi. Te wszystkie części naszego organizmu możemy eksperymentalnie badać, rozkładać na elementy, śledzić, jak funkcjonują. Informacja jest w tym wszystkim istotna, ale pozostaje niewidoczna. „Tworzywo (stuff) widzimy, bitów nie widzimy”. To informacja sprawia, że coś nie jest tylko materialnym ciałem, lecz żyje. Informację również można badać, choć innymi metodami niż dotychczas stosowane w biologii.

Oczywiście, informacje zawarte w genach i „krążące” w organizmie nie są od siebie niezależne. Tworzą jeden, zwarty system. Z pewnością wiele informatycznych procesów, dziejących się w organizmie, jest w jakiś sposób zaprogramowanych lub kontrolowanych przez informację genetyczną, ale na pewno nie na zasadzie ścisłego zdeterminowania. Lokalny „przepływ informacji”, na przykład w komórce lub w neuronie, jest wrażliwy na swoje środowisko; musi odpowiednio reagować na jego bodźce. I to nie tylko na środowisko wewnętrzne. Także na środowisko zewnętrzne – świat, w którym osobnik żyje i w którym żyją również inne osobniki (środowisko społeczne).

W 2008 r. Paul Nurse, laureat Nagrody Nobla z biologii, opublikował w „Nature” programowy artykuł. Do oddziaływania biologii i informacji wprowadził jeszcze trzeci element – logikę. Jest to nieunikniony krok. Każdy programista wie, że nie da się napisać najprostszego programu bez zastosowania logiki. Informacją rządzi logika. Jeżeli chcemy odkryć prawa, które sterują „krążeniem informacji” w organizmach żywych, musimy odwołać się do logiki, i to do logiki tak wyrafinowanej, jak wyrafinowane jest życie.

Czy zanosi się na przełom w naszym rozumieniu życia? Paul Davies zdecydowanie twierdzi, że tak, ale zauważa, iż choć już dokonaliśmy znacznego postępu, ciągle jednak znajdujemy się na początku drogi ku „nowej fizyce życia”. Znamy kawałki układanki, a trzeba dotrzeć do zasad organizujących działanie całości.

„Biologiczna informacja urzeczywistnia się w materii, ale nie jest czymś materialnym”. Informacja, kształtująca procesy w żywym organizmie, nie działa wbrew prawom fizyki, ale zasad, którymi się rządzi, nie można wyprowadzić z tych praw. Davies uważa, że „aby w sposób właściwy włączyć materię żywą do fizyki, potrzeba nowej fizyki”.

Rewolucji w fizyce zapowiadano już wiele... Czasem jednak rewolucję można przeoczyć, nie zauważyć, że już się dzieje. ©

ZOBACZ TAKŻE: Artykuły ks. prof. Michała Hellera w "Tygodniku Powszechnym"

DUCH I MATERIA

Entropia to jedno z trudnych dzieci świata fizyki. Istnieje kilka definicji entropii, a każda ukazuje je z innej strony. Tym razem powinna nam dopomóc tzw. definicja statystyczna Boltzmanna. Pomyślmy o zbiorze elementów, które możemy uporządkować na wiele sposobów, choćby o wszystkich literach alfabetu. Istnieją takie konfiguracje, które można zrealizować tylko na jeden sposób: np. układ alfabetyczny (a,ą,b,c,ć...). Inne dają większą dowolność – pomyślmy np. o konfiguracji dającej poprawne gramatycznie zdanie w języku polskim (przykład: „O, mógłże sęp chlań wyjść furtką bździn?!”). Są wreszcie konfiguracje bardzo dowolne, np. zupełnie nieuporządkowane ciągi liter. Entropia danego układu to miara tego, na jak wiele sposób można zrealizować „ogólny typ” reprezentowany przez ten układ. Największą entropię ma więc taka konfiguracja („makrostan”), którą można zrealizować poprzez największą liczbę konkretnych układów („mikrostanów”).

Gdy w dwóch sąsiednich pomieszczeniach cząstki mają taką samą średnią prędkość, układ ten ma większą entropię niż wtedy, gdy w jednym z nich jest chłodniej: ten drugi przypadek jest bardziej szczególny, można go zrealizować na mniej sposobów.

Witalizm głosił, że życie różni się od tego, co nieożywione, obecnością pewnej siły, energii czy tajemniczej substancji, krążącej niczym ożywiający duch w materii. Ta życiowa substancja powinna mieć inną naturę od składników materii nieożywionej i podlegać innym prawom. Dziś wiemy, że ziemskie życie opiera się na związkach węgla (związkach organicznych), ale rządzą nimi dokładnie te same prawa, co związkami nieorganicznymi. Udana synteza związków organicznych i nieorganicznych, a potem odkrycie rozmaitych biochemicznych mechanizmów komórkowych pogrzebało witalizm, jednak niektórzy twierdzą, że odradza się on dziś w nowej postaci. Bowiem życie różni się od nie-życia nie tylko stopniem złożoności, ale także obecnością informacji, która jest pewną nową jakością w fizycznym świecie.

Poza opisanym w artykule demonem Maxwella fizycy stworzyli jeszcze jeden eksperyment myślowy, którego głównym bohaterem jest pokrewna istota. Chodzi o tzw. demona Laplace’a, który zna dokładne położenie oraz pędy każdej cząstki we wszechświecie oraz potrafi wykonywać nieskończenie skomplikowane obliczenia. Zgodnie z klasyczną fizyką taka hipotetyczna istota byłaby zdolna odtworzyć przeszłe oraz przewidzieć przyszłe trajektorie ruchu wszystkich cząstek – miałaby więc nieograniczoną wiedzę o przeszłości i przyszłości wszechświata.

Ten eksperyment myślowy pojawia się w dyskusjach dotyczących determinizmu, czyli tego, czy wszystkie zjawiska w przyrodzie – a więc także ludzkie zachowania i wybory – są konsekwencją praw przyrody i „stanu początkowego” wszechświata. Jeśli tak, to w świecie nie ma miejsca na przypadek, losowość czy – według niektórych filozofów – wolną wolę. Mechanika kwantowa i teoria chaosu kwestionują jednak możliwość istnienia takiego demona. ©(P) ŁK, ŁL

Cytaty pochodzą z książki Paula Daviesa „The Demon in the Machine. How Hidden Webs of Information Are Finally Solving the Mystery of Life” (Allen Lane – Penguin Books, 2019). Wydawnictwo Copernicus Center Press przygotowuje polski przekład tej książki.