Количество информации в живых организмах
и энергия вакуума Вселенной

Букалов А.В.

Физическое отделение Международного института соционики,.Киев, Украина

e-mail: boukalov @gmail.com

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. 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 10^10÷11 аминокислотных остатков, составляет I=kT lnw=kT ln(N!)=kT ln(10^10÷11!) ≈ kT lnN=kT·10^10÷12бит=10^-9÷11Дж. 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. 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. 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. 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 Δt_k, разделяющий наблюдаемые события в живом организме, может быть получен из принципа неопределенности Гейзенберга в сочетании с термодинамическим пределом упорядоченности (E≥kT). ΔE·Δt=ħ/2, ΔkT·Δt_k≥ħ/2, Δt_k≥ħ/(2kT) при T=300К Δt_bio=Δt_k=1,27·10^-14сек, ω_bio=2π/t=4,94·10¹⁴Гц. Таким образом, формула количества информации в живом организме изменяется на следующую:

İ ≈ I / Δt_k = kT lnw / Δt_k.

I_s^*= I_kT ·I_t=kT lnw_kT Δt_k lnw_t= ħ lnw_kT lnw_t= ħ ln w_s^*. Так как w=P! ≈ P^P, количество взаимосвязанных микросостояний составляет w_s=(P_t·P_kT)!. Поэтому количество информации в пространстве действия было бы корректнее описывать следующей формулой: I_s= kT·Δt_k ln((P_t·P_kT)!)= ħ lnw_s. 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. 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 ΔL_кл≈ 10^-5÷6м, объем клетки V_кл≈ 10^-15÷18м³, имеем в клетке V_кл / V₁≈ 10^9÷11 контролируемых кластеров объема, что совпадает с числом нуклеотидов или молекулярных остатков. 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: Δt_k≥ħ/(2kT)=1,27·10^-14c. Таким образом, для контроля всех 10^10÷11 аминокислотных остатков в клетке поток информации должен составлять P(I)= İ = 10^10÷11 / Δt_k≈10^24÷25бит/с. За Δt_k это соответствует энергетическому эквиваленту E_экв=İ·Δt_k=(kT·lnw / Δt_k)·Δt_k≈10^-10Дж· Δt_k/Δt_k=10^-10Дж. Для клетки за одну секунду Ė_экв ≈ 10^-10Дж·10^13÷141/с =10^3÷4Дж/с. Энергетические эквиваленты упорядоченности для различных биологических объектов приведены в табл. 

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): P_bio=Ė_{биосферы экв} ≈ 10^34÷35Дж/с ≈ 10⁸P₀ ≈ 10⁸Ė_Θ = 3,9·10²⁶Дж/с ≈ 10²⁰ Ė´_Θbio. 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/c_S~10^-11с, где L~10^-8м — среднее расстояние между молекулами, а c_S=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 (так называемая «темная энергия»), определяющая ее эволюцию и динамику. Общая энергия вакуума наблюдаемой Вселенной составляет (при Ω_vac≈0,7) E_vac = 0,7·M_Uc² = 0,7·5,7·10⁵³кг·9·10¹⁶м²/с² = 3,59·10⁷⁰Дж. Исходя из этой энергии, действующей за t₀ = 1/H₀ = 4,48·10¹⁷с [1], мы получаем поток энергии мощностью P_U= E_vac/t₀ = 0,8·10⁵³Дж/с, определяющей динамику материальных структур Вселенной. 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
N_bio=P_U / P_bio ≈ 10^18÷19. При этом количество живых клеток во Вселенной:
N_cel≈ P_U / P_c≈10⁴⁹.

Таким образом, именно энергия вакуума синергетически формирует как биологические, так и иные структуры Вселенной, обеспечивая их энергетическую и метрическую упорядоченность [2, 3, 4]. Ведь в конечном счете именно гравитация и вакуум, как считается в настоящее время [5], определяют динамику и эволюцию всей Вселенной.

Литература

1.     Букалов А. В. Количество информации в живых организмах и энергия вакуума. // Физика сознания и жизни, космология и астрофизика. - 2002. - № 2. - С. 5–9.

2.     Букалов А. В. О количестве информации в живых организмах и степени их упорядоченности. // Физика сознания и жизни, космология и астрофизика. - 2002. - № 4. - С. 5–8.

3.     Букалов А. В. О соотношениях параметров биосферы Земли и космоса. // Тезисы докладов VI Международной крымской конференции «Космос и биосфера», 26 сентября–1 октября, 2005. - Симферополь, 2005. - С. 164–165.

4.     Букалов А. В. О зависимости характерной температуры живых организмов от среднегеометрической температуры вакуума Вселенной. // Тезисы докладов VII Международной крымской конференции «Космос и биосфера», 1–6 октября, 2007. - К., Издатель В.С. Мартынюк, 2007. - С. 245–246.

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.

© Copyright 2008. All rights reserved. Contact to Victor Martynyuk: ubs@science-center.net  tel.: +38 050 6535592