УДК 151.21.31+121.21.61+159.9.101+159.96+167.0+510.2+530.145+577.359+577.38

Букалов А.В.

e-mail: boukalov@gmail.com
Физическое отделение Международного института соционики
Журнал «Физика сознания и жизни, космология и астрофизика», номер 2, 2002 .

Количество информации в живых организмах
и энергия вакуума

Показано, что существующие оценки количества информации в живых организмах не учитывают динамических степеней свобод живого вещества. Получены новые формулы для оценки количества информации в живых организмах, дающие значения, на многие порядки превышающей прежние оценки. Эти результаты впервые показывают качественное и количественное отличие живого от неживого. Показано, что упорядоченность живых организмов определяется величиной общей энергии вакуума Вселенной. Получена оценка количества живых клеток, биосфер и общей биомассы, эквивалентных земной в типичной галактике и Вселенной в целом.
Ключевые слова: биологическая упорядоченность, информация в живых организмах, квант события, темпоральный квант, биомасса Вселенной, биомасса Галактики, клетка, биосфера Земли, количество биосфер во Вселенной, термодинамика, теория информации, энергия вакуума, гравитация, энтропия, жизнь во Вселенной.

Как известно, существующие оценки биологической упорядоченности, или количества информации в живых организмах, не позволяют различать живые и неживые структуры. С точки зрения термодинамических критериев [8], как подчеркивал Л.Блюменфельд, живой организм ничем не отличается от куска горной породы того же веса. Тем не менее, совершенно понятно, что существует серьезное различие между живым и неживым. В таком случае, оно должно найти свое отражение в более общей формуле оценки информации или степени упорядоченности живого организма по сравнению с неживым веществом. Ведь оценка Блюменфельда на основе формулы К.Шеннона затрагивает только термодинамический аспект и не касается динамических аспектов жизненных процессов, наличие которых отличает живую материю от неживой. Между тем, термодинамическое и динамическое описания являются дополнительными [4].

В случае оценки информации упорядоченности расположения клеток в организме [8] учитывается только их расположение в статическом состоянии. Впрочем, уже физическая реализуемость такого уникального расположения клеток требует гораздо больше информации и энергетических затрат[1].

Поэтому для живого организма необходим учет динамических степеней свободы, именно тех, которые обеспечивают биологическому веществу статус «живого». Что это за степени свободы?

В подходе Л.Блюменфельда, биологическая упорядоченность, или количество информации в энергетическом эквиваленте, для клетки, содержащей 1010÷11 аминокислотных остатков, составляет
I=kT lnw=kT ln(N!)=kT ln(1010÷11!)≈kT lnN=kT·1010÷12бит=10-9÷11Дж.      (1)

Для человека, организм которого содержит ~1025 аминокислотных остатков, эта формула дает всего лишь
I=kT ln(1025!)≈kT·1025·ln1025≈1026kT≈106Дж, при T=300K     (2)

Отсюда и следует, что живое вещество по упорядоченности ничем не отличается от минерала аналогичного веса [8]. Однако это рассуждение и приведенная формула имеют существенный недостаток, никем до сих пор не замеченный. Они справедливы лишь для биологической структуры с неподвижными молекулами, для статичного, «замороженного» организма (даже не мертвого в силу протекания в последнем биологических процессов при Т≈300К). Иными словами, не учитывается динамический аспект живого вещества. А ведь живые организмы являются неравновесными динамическими структурами и обладают как пространственными, так и временными степенями свобод. Ведь все биохимические процессы скоррелированы в пространстве и во времени.

В неживой материи уникальных динамических степеней свобод немного. Однако в неравновесных системах, где нарушена симметрия (например, в ячейках Бенара) необходимо учитывать асимметрию пространственно-временных степеней свобод молекул.

Таким образом, для адекватного описания специфики живого необходимо рассматривать контроль над процессами не только в пространстве, но и во времени. Контролируемый интервал времени или минимальный интервал Δtk, разделяющий наблюдаемые события в живом организме, может быть получен из принципа неопределенности Гейзенберга в сочетании с термодинамическим пределом упорядоченности (EkT).
ΔE·Δt=ħ/2, ΔkT·Δtkħ/2, Δtkħ/(2kT)     (3)
при T=300К, Δtbio= Δtk= 1,27·10-14сек, ωbio= 2π / t = 4,94·1014Гц

При изменении температуры этот интервал Δtk, фактически являющийся квантом события, также изменяется соответственно.

Таким образом, формула количества информации в живом организме изменяется на следующую:
.     (4)
В этом случае степень упорядоченности живого вещества определяется количеством информации в живом веществе, проходящей через него во время процесса контроля и управления, и временным интервалом, в течение которого рассматривается и контролируется протекающий биологический процесс. Оценка Блюменфельда дает значение информации в энергетическом эквиваленте только при t≤Δtk, тогда как за t=1 с
.     (5)

Соответственно, за год (t=3·107с) Iдин≈1020Iстат, а за все время существования биосферы (t=4,5·1017с) Iдин≈1030Iстат. Соответственно, энергетический эквивалент протекающей информации составляет для организма или совокупности организмов за некоторый период времени t=Δtk приблизительно
    (6)

Указанную оценку можно получить и другим путем.

Как известно, биологические процессы обладают высокой степенью упорядоченности. Контроль процессов осуществляется на уровне небольших групп атомов, образующих азотные основания РНК или фрагменты пептидов. Таким образом, пространственная точность контроля хода физико-химических процессов в живой клетке составляет порядка Δl≤10-8÷9м, или контролируется объем ΔV1≤10-24÷27м3. Считая диаметр клетки порядка Δlкл≈10-5÷6м, объем клетки Vкл≈10-15÷18м3, имеем в клетке Vкл /V1≈109÷11 контролируемых кластеров объема, что совпадает с числом нуклеотидов или молекулярных остатков в типичной растительной или животной клетке с молекулярной массой mкл≈1014÷15=10-12÷13кг.

Для контроля каждого аминокислотного остатка с молекулярной массой ~150, число которых в клетке составляет ~1010, необходимо  фиксировать или контролировать эти молекулы в пределах ячейки с объемом V´ = V / 1010≈10-25м3 через интервалы времени, сопоставимые с временным интервалом для тепловых колебаний при температуре T≈300К:
    (7)

Таким образом, для контроля всех 1010÷11 аминокислотных остатков в клетке поток информации должен составлять 
    (8)

За Δtk это соответствует энергетическому эквиваленту
    (9)
Для клетки за одну секунду
≈10-10Дж·1013÷141/с=103÷4Дж/с.     (10)

Энергетические эквиваленты упорядоченности для различных биологических объектов приведены в табл. 1.

Таблица 1.
  клетка (1013÷14 атомов) человек (1013 клеток) биосфера (1029÷30 клеток)
за Δtk ~10-10Дж ~106÷7Дж ~1021Дж
за 1 с ~104Дж ~1019Дж ~1034÷35Дж
за 1 год ~1011Дж ~1026÷27Дж ~1042Дж
за 4,48·1017 с ~1021Дж ~1037Дж (для n поколений) ~1052÷53Дж

Отсюда следует, в частности, что энергетический эквивалент поддержания пространственно-временной упорядоченности живого вещества биосферы, выраженный через мощность, приблизительно на восемь порядков превышает энергию, излучаемую Солнцем, и на двадцать порядков превышает солнечную энергию, получаемую биосферой Земли (~1014Дж/с):
    (11)

Из табл. 1 следует также, что энергия, проходящая через одну живую клетку за время существования Вселенной, или близкое к этому время (4·109 лет), равна энергии, проходящей через биосферу за время Δtk. Это говорит об определенных структурных резонансах в строении материи и о необычности формы энергии, создающей и поддерживающей упорядоченность живого вещества.

Временной интервал контроля можно оценить и иначе:
    (12)
где l — расстояние между отдельными молекулярными остатками, v — скорость звука в среде (в воде, в белке и др.).

Мы видим, что этот результат приблизительно совпадает с полученным ранее значением Δtк.

Наш результат вполне соответствует оценке Б.Кадомцева [6] количества энергии, необходимой для контроля молекул газа в см3 воздуха: в 1 см3 воздуха находится приблизительно 1019 молекул и на одну молекулу приходится объем V0~10-19см3. При фиксации каждой из молекул в объеме, не меньшем V0, конфигурационная часть энтропии газа будет не менее N~1019. При фиксации этого состояния, оно будет обладать информацией I~S~1019. При контроле этой системы, с поправкой ее через промежутки времени τ ~ l / cS ~10-11с, где l~10-6 — среднее расстояние между молекулами, а cS=300м/с — скорость звука, то есть для управления движением газа, необходимо иметь поток информации, превращаемый в энтропию, масштаба 1030с-1. Эта величина в 1010 раз больше, чем может обеспечить поток солнечной энергии на 1 см2 (4·1019бит/см2·с). Отсюда Кадомцев сделал вывод, что если бы у кого-то возникло желание контролировать такой процесс, «он должен был бы обладать духовным потенциалом, способным поддерживать упорядоченное движение молекул за счет хаотизации потока информации масштаба приходящего от Солнца на один квадратный километр≈. Таким образом, Б.Кадомцев и другие считали невероятным существование источников упорядоченности для отдельных молекул в значительном количестве. Тем не менее, такой источник упорядоченности и эквивалентной энергии можно указать: это энергия вакуума Вселенной, определяющая ее эволюцию и динамику.

Общая энергия вакуума наблюдаемой Вселенной составляет (при Ωvac≈0,7)
=0,7·5,7·1053кг·9·1016м22=3,59·1070Дж.     (13)

Исходя из этой энергии, действующей за t0=1/H0=4,48·1017с [1], мы получаем поток энергии мощностью
    (14)
определяющей динамику материальных структур Вселенной[2]. Из этого следует, что живое вещество существует за счет хаотизации потока пока непосредственно ненаблюдаемой, но реально проявляющейся энергии вакуума. И это нелокальный, глобальный процесс на уровне всей Вселенной, поскольку поля вакуума не являются локализуемыми, их действие нелокально и целостно.

Отсюда легко оценить количество биомассы Вселенной. Максимальное количество биосфер, эквивалентных земной, не может превышать
Nbio=PU / Pbio≈1018÷19.      (15)
При этом количество живых клеток во Вселенной:
Ncel PU / Pc≈1049.     (16)

Учитывая, что живое вещество является одним из структурных уровней организации материи Вселенной наряду с плазменным веществом звезд, газовыми облаками, кристаллической структурой планет, темной материей (DM) и т. д., поток энергии вакуума, приходящийся на живое вещество, можно уменьшить в b-1≈10÷100 раз. Исходя из массы земной биосферы mbio≈4,5·1015 кг, мы получаем приблизительную оценку полной массы аналогичных биосфер всей Вселенной
=Nbio· mbio≈1034÷35кг≈10-18÷19MU≈10-17÷18, при ΩB,e≈0,04     (17)

Таким образом, на каждые 1018 барионов и электронов Вселенной приходится один барион и электрон живого вещества.

Для типичной галактики с массой m*≈10-10÷11MU*≈1042÷43кг количество биосфер составляет N*≈107÷8, а их суммарная масса[3] ≈1023÷24кг. При этом количество живых клеток в галактике NcelGal≈1037÷38.

На первый взгляд кажется невероятным, что энергетический эквивалент упорядоченности живого вещества столь велик. Однако общая энергия, необходимая для обеспечения состояния вещества как живого, близка не только к значению энергии вакуума, но и к значению гравитационной энергии Вселенной[4].
    (18)

Из общей теории относительности известно, что существует прямая связь между метрикой и гравитацией. Этим и объясняется приблизительная эквивалентность энергии поддержания биологических структур и гравитационной энергии вещества Вселенной. При этом из уравнений Эйнштейна  следует, что энергия гравитационного поля отрицательна. Как было рассмотрено нами ранее [2], отрицательны и энергия и температура виртуальных полей так называемого вакуума Риндлера. Поэтому энтропия вещества Sm=kTlnw, а энтропия гравитационного поля SG=-kTlnw. Отсюда мы можем высказать гипотезу, что энтропия этих полей, как и гравитационного поля, эквивалентна негэнтропии Л.Бриллюэна [9], то есть отрицательной энтропии, компенсирующей производство энтропии при структурном упорядочении живого вещества[5].

Поэтому метрическая, то есть пространственно-временная, упорядоченность живого вещества может, по-видимому, существовать за счет хаотизации как квантов виртуальных вакуумных полей, так и квантов гравитационной энергии Вселенной, формирующих, как известно, метрику пространства-времени,. Таким образом, именно энергия вакуума синергетически формирует как биологические, так и иные структуры Вселенной, обеспечивая их энергетическую и метрическую упорядоченность. Об этом говорилось в другой работе автора [2]. Ведь в конечном счете именно гравитация и вакуум, как считается в настоящее время [5], определяют динамику и эволюцию всей Вселенной[6].

Тогда гигантский «духовный потенциал», отвергаемый Б.Кадомцевым [6], который был бы необходим для упорядочения движения молекул, соответствует скрытой структуре вакуума с отрицательной энергией и температурой. Именно он обеспечивает существование сознания и различных форм жизни [2].

В настоящей статье мы получили приближенные формулы для оценки количества информации и энергии в живом веществе, а также показали качественное и количественное отличие живого вещества от неживого. Более точные оценки и формулы будут даны в последующих работах.

 

Литература:

  1. Букалов А.В. Точное значение постоянной Хаббла и режимы эволюции квантовой Вселенной. //Физика сознания и жизни, космология и астрофизика. — 2002. — № 1.
  2. Букалов А.В. О возможности существования полевых форм жизни. //Физика сознания и жизни, космология и астрофизика. — 2001. — № 4.
  3. Станюкович К.П. Гравитационное поле и элементарные частицы. — М.: «Наука≈. 1965. — 312 с.
  4. Хайтун С.Д. Механика и необратимость. — М. «Янус≈. 1996. — 448 с.
  5. Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней Вселенной. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988. — 199 с.
  6. Кадомцев Б.В. Динамика и информация. — М.: Редакция журнала «Успехи физических наук≈, 1999. — 400 с.
  7. Реймерс Н.Ф. Популярный биологический словарь. — М.: Наука, 1990. — 544 с.
  8. Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики. — М.: Наука, 1977. — 336с.
  9. Бриллюэн Л. Наука и теория информации. — М.: Госиздат физ-мат лит., 1990. — 392 с.


[1] Как курьез можно рассматривать «исследования≈ по стоимости набора химических элементов, из которых состоит тело человека: воды, железа, фосфора, углерода и др. — около $5. Между тем ясно, что только синтез системы конкретных белков, как впрочем и ДНК, требует гигантских затрат, как энергетических, так и материальных. Эволюции на это потребовались миллиарды лет.
[2] Это, в частности, объясняет полученный нами результат (11), говорящий, что мощность потока энергии, необходимой для поддержания структуры биосфер, превышает на двадцать порядков энергию, получаемую биосферой от Солнца. Достаточно упомянуть, что для Земли уже гравитационный потенциал Вселенной на много порядков превышает солнечный: φG=G·MU / RU≈1012φΘ.
[3] Отметим, что это значение очень близко к массе Земли (6·1024кг) как планеты, несущей биосферу.
[4] Оценка гравитационной энергии Вселенной была дана К.П.Станюковичем [3].
[5] Рассмотрение этих вопросов будет проведено нами в отдельной работе.
[6] Вклад в энергию вакуума могут давать не только гравитационное поле, но и целый ряд полей, предполагаемых в современных теориях поля.


Институт соционики | О журнале

 


Copyright © 2001-2012 Международный институт соционики
Оформление: Ольга Карпенко