Обработка информации природными экосистемами

Они имеют встроенную программу стабилизации климата и выполняют ее сверхэффективно

Наше внимание все больше сосредотачивается на важности вычислений. Нам говорят, что выигрывает тот, кто вычисляет больше. Вычислять — значит иметь алгоритм, в который вы вводите некоторые начальные числа и который после некоторых операций выдает вам другой набор чисел, соответствующий вашим целям. Часто мы обнаруживаем, что речь идет о войне: вы вводите координаты вражеских танков в алгоритм, и алгоритм выдает вам набор инструкций о том, куда направить ваши беспилотники, чтобы уничтожить их. Это может быть связано с социальным контролем: вы вводите черты лица разыскиваемых преступников, и алгоритм выдает набор подозреваемых из городской толпы.

Фотография, сделанная в 1974 году Виктором Горшковым на реке Курейка в Сибири. Этого леса больше не существует (затоплен во время строительства гидроэлектростанции)

Живые тела тоже вычисляют. Если я порежу палец во время приготовления ужина, алгоритм моего организма определит, какие ингредиенты взять из супа, который я собираюсь съесть, как их химически обработать и превратить в новый слой кожи, чтобы мой палец мог зажить. На самом деле, это не просто вычисление, а вычисление, связанное с действием.

Тогда пришло время осознать, что Жизнь тоже занимается вычислениями. Естественные экосистемы, находящиеся под солнцем, выполняют вычисления и обрабатывают информацию.

Как мы можем оценить и понять эту вычислительную мощь Жизни? Энергия Солнца поступает на Землю в виде дискретных частиц, называемых фотонами. Средняя энергия солнечных фотонов пропорциональна температуре Солнца, которая составляет около TS = 6000 градусов Кельвина. Температура Земли составляет около TE = 300 градусов по Кельвину. Это означает, что тепловые фотоны, излучаемые Землей в космос, в 20 раз менее энергичны, чем поступающие солнечные фотоны.

Представьте, что у нас есть переключатель, который случайным образом переключается между двумя возможными состояниями: включено и выключено. Чтобы удерживать его в одном состоянии, нам нужно приложить больше энергии, чем энергия его хаотического теплового движения, которая на Земле составляет приблизительно kTE (где k — постоянная Больцмана). Высокоэнергетические солнечные фотоны с технологией energy kTS обеспечивают эту дополнительную энергию, позволяя проводить биологические и экологические расчеты. Энергии одного солнечного фотона достаточно, чтобы включить или выключить выключатель девятнадцать раз.

Другими словами, поглощение солнечной энергии позволяет молекулярным ячейкам памяти («переключателям») Жизни подниматься над тепловым хаосом и выполнять вычисления. Если бы Земля получала такой же суммарный поток энергии, но при температуре Солнца TS, равной температуре Земли TE, никакие вычисления не были бы возможны. Жизнь не существовала бы.

Предполагая, что каждое действие молекулярной ячейки памяти, поднимающейся над тепловым хаосом, считается одной операцией, мы можем оценить скорость обработки информации Жизнью по известной скорости потребления ею солнечной энергии. При средней глобальной эффективности фотосинтеза около E ~ 0,5 % и среднем глобальном потоке солнечной энергии, поглощаемой поверхностью планеты, около F ~ 170 Вт/м2, мы обнаруживаем, что поток информации, обрабатываемой живыми клетками, составляет около (EF/kTE) ~ 2 x 10 20 операций в секунду на квадратный метр. Сравните это с типичным современным суперкомпьютером, который потребляет в сто раз больше энергии на квадратный метр, но выполняет в миллиард раз меньше операций в секунду.

Общая площадь, занимаемая суперкомпьютерами, намного меньше, чем даже относительно нетронутые природные леса (>10 миллионов квадратных километров). Это приводит к огромной разнице в вычислительной мощности между природными экосистемами и нашей цивилизацией: цивилизация безнадежно отстает.

Однако дело не только в вычислительной мощности. Главный вопрос заключается в том, ЧТО именно вычисляется? Для чего Жизни нужна такая огромная мощность обработки информации? Что записано в этих биологических и экологических алгоритмах?

Короче говоря, это устойчивость. Жизнь вычисляет, как сохраниться с течением времени, не истощаясь ни в чем, не загрязняя окружающую среду и поддерживая благоприятные условия для своего продолжения. В то время как человеческие компьютеры с гордостью используются для управления макроскопическими объектами с низким уровнем информативности (например, беспилотными летательными аппаратами), Life — это распределенная система микроскопических компьютеров (живых клеток), которые охватывают всю Землю, оценивая условия окружающей среды и немедленно реагируя, если что-то пойдет не так. Когда мы нарушаем Жизнь, окружающая среда и климат дестабилизируются.

Из этого упражнения по оценке возможностей обработки информации Жизнью можно сделать два вывода. Во-первых, устойчивое развитие — чрезвычайно сложная задача, требующая обработки огромных объемов информации. Неудивительно, что наши достижения в этой области равны нулю. Во-вторых, нет технической замены биотическому регулированию окружающей среды. Если мы нарушим естественные экосистемы настолько, что они станут неспособны к самовосстановлению, мы не сможем стабилизировать климат, даже если прекратим все выбросы.

Для дальнейшего чтения

Makarieva A., Gorshkov V., Wilderer P.A. (2016) What Can We Learn from Natural Ecosystems to Avoid a Civilization Breakdown? Section 3.3 in Chapter 3. Governance of Societies (C. Werthmann, O. Renn, A. Makarieva, V. Gorshkov, P. A. Wilderer, V. Risse, C. Bøslashker, B. Haas) in Wilderer P.A., Grambow M. (eds.) Global Stability through Decentralization? In Search for the Right Balance between Central and Decentral Solutions. Series Strategies for Sustainability, Springer International Publishing Switzerland. https://bioticregulation.ru/ab.php?id=civ

Makarieva A.M., Nefiodov A.V., Li B.-L. (2020) Life’s Energy and Information: Contrasting Evolution of Volume- versus Surface-Specific Rates of Energy Consumption. Entropy, 22(9), 1025. https://bioticregulation.ru/ab.php?id=ent

Анастасия Макарьева
2024 год

Рассылка  «CAN-EECCA»