Многие частные задачи для жизни и разума сегодня описаны средствами физики, химии, математики с большой точностью и подробностью. Однако на глобальном уровне сведения (редукции) жизни и разума (как феномена) к законам физики и химии не существовало. Сегодня основным для описания возникновения и эволюции жизни и разума является дарвинизм. Анализу предпосылок, результатов и противоречий дарвинизма посвящена обширная литература, итогом которой является подтверждение эффективности дарвинизма в сочетании с недоумением перед фактами, которые он объяснить не может. Биофизические проблемы в рамках дарвинизма поставлены в [1].
 
Обзоры современного состояния дарвинизма в связи с понятиями информации и самоорганизации содержатся в [2] - [4]. В них отражены общепринятые предпосылки дарвинизма как модели:
1. Живые системы отличает цель их существования.
2. Естественный отбор является силой, движущей и направляющей эволюцию жизни.
3. Живые организмы обладают свойством изменчивости. Независимые случайности при изменчивости есть источник, из которого выбирает естественный отбор.
4. Размножение живых организмов экспоненциальное. В процессе размножения существует наследственность.

Наука есть цепь последовательных приближений (моделей) на основе изменяющихся аксиом. Модели в науке имеют разный смысл. Например, математической моделью называют приближённые уравнения, описывающие конкретную задачу. В общем виде моделью является формулировка исходных аксиоматических предпосылок с указанием классов относящихся к ним физических, химических процессов и разделов математического аппарата для их описания. Дарвинизм, исходящий из предпосылок 1 - 4, является такой общей моделью. Модели становятся абсолютной истиной, когда созданы более полные модели, устанавливающие границы ошибочности существующих. В таком смысле, несомненно, дарвинизм есть абсолютная истина - были в прошлом, есть и будут в будущем конкретные задачи, в которых его применение продуктивно.
 
Успехи генетики и молекулярной биологии огромны. В их основе лежат законы физики и химии. Однако глобально жизнь считается флуктуацией, которая ведёт к упорядоченности вопреки второму началу термодинамики. Отсюда, казалось бы, неизбежность предпосылки 1 о цели эволюции жизни. Согласно предпосылкам 2 и 3, цель достигается с участием отбора из независимых случайностей. Обычно их понимают как точечные мутации. Для такой модели в литературе постоянно повторяется, что вероятность возникновения новых структур или функций живых существ имеет порядок 10 в минус сотой степени. Эти оценки делают редукцию биологии к законам физики и химии одной из нерешённых проблем современной науки. Нужны новые идеи, базирующиеся на известном в физике.
 
Они введены в [5] - [11] в виде более общей модели, устраняющей парадоксы и противоречия дарвинизма. Это - модель иерархического синтеза информации, объясняющая возникновение и эволюцию жизни без использования предпосылки о цели так, что дарвинизм составляет её часть. Здесь кратко и популярно рассказано о её основах. Дополнительные ссылки на литературу см. в [5] - [11]. Ключевым для новой модели является понятие об информации как физической переменной [5] - [11].
 

1. Информация и её синтез в природе

Информация по её классическому определению в теории информации есть устранённая неопределённость для достижения цели. Деятельность человека содержит цели. Природа не имеет целей, внешних по отношению к ней. Информация в природе не может быть связана с абстрактной целью - она должна участвовать в процессах и объектах природы как физическая переменная. Но смысл устранённой неопределённости должен для неё сохраняться.
 
Информацию в природе как физическую переменную выражает сама мера неопределённости, каковой является энтропия. Она связана с устранением неопределённости тем, что в характеристики любого объекта природы как целого входит энтропия, вычисленная для составляющих его элементов. Само существование объекта природы есть устранение той величины неопределённости, какую описывает энтропия образующих его элементов. Поэтому энтропия есть энтропия-информация об объектах как физическая переменная. В этом определении участвует описание только той составляющей энтропии, которая ответственна за данный объект.
 
Энтропия определена Л. Больцманом как логарифм числа W  возможных состояний системы:

.

Множитель  K_k в этой формуле связан с признаком, по которому отличают состояния элементов системы. Как показано в [10], переменная механики - действие - есть энтропия в механике, поэтому в наиболее общем виде множитель K_k имеет смысл и размерность действия. В полном виде энтропия определена как действие-энтропия-информация. Для краткости в конкретных задачах можно использовать части этого термина. Этим устанавливается в данной задаче, какой из общепринятых способов измерения этой переменной надо выбрать для неё.

Число возможных состояний элементов системы  W  в определении энтропии может быть заменено их вероятностями y. Тогда формула, выражающая энтропию, примет вид:


  
Знак минус в этом случае появляется потому, что числа состояний ,  а вероятности . Энтропия является знакопостоянной переменной. В обоих определениях речь идёт об энтропии как характеристике наиболее вероятного состояния системы. В самих определениях (1) и (1а) этого не содержится. Но их составляющей является больцмановская нормировка энтропии по отношению к полным энергии и числу элементов системы. Нормировка энтропии формализует определение наиболее вероятного состояния системы.

Известны разные формулы для энтропии, содержащие логарифм (например, с участием функции распределения у А. Эйнштейна). Их отличие в детализации функций, описывающих W  или y, и предпосылок, в пределах которых они заданы. В термодинамике энтропия определена с помощью приращения количества тепла dQ и температуры T в виде
  
.
 
Это определение подчёркивает, что энтропия является функцией состояния системы (не зависит от формы пути для достижения данного состояния). Использование разных определений энтропии не противоречит возможности описывать с её участием информацию в природе как физическую переменную. Для этой работы важно, чтобы энтропия имела смысл характеристики наиболее вероятного состояния системы.

В природе нет внешней по отношению к ней информации. Она должна самопроизвольно возникнуть на основе изменений энтропии-информации её объектов. Для того, чтобы ответить на вопрос - как это происходит? - начну с определения возникновения (синтеза) информации в теории информации как науке о способах общения людей. Классикой в этом является определение синтеза информации, которое дал в середине ХХ века Г. Кастлер - информация возникает вновь (синтезируется) в результате запоминания случайного выбора [12]. В работах [7], [9], выполненных в 1989 - 1993 годах, и далее  [5], [6], [10] я трансформировал это определение для описания информации как физической переменной природы.


 
Синтез информации в природе происходит на основе цепочки:  случайности - ограничивающие их условия - объекты и процессы, являющиеся результатом запоминания.
  
Случайности количественно описывает энтропия. В этом нет существенных отличий от определения  Г. Кастлера. Условия  в природе задаются с участием физико-химических законов и других ограничений (например, возникающих при динамических нелинейных взаимодействиях множества элементов системы и подобное, известное). Главное отличие синтеза информации в природе состоит в том, что синонимом запоминания (как термина теории информации) является устойчивость физических процессов и объектов природы. Её определяют, в частности, на основе критериев устойчивости А. Ляпунова, зависящих от знаков приращений (экстремумов) функций Ляпунова. Этот термин описывает математическое обобщение интуитивных представлений о равновесии как минимуме потенциальной энергии. Для объектов и процессов природы (в частности, при возникновении и эволюции жизни и разума) функциями Ляпунова являются энтропия S, её производство и его возмущения . Устойчивым (запоминаемым) состояниям отвечают экстремумы (показаны на рис. 1), зависящие от них.

Критерий устойчивости 1 на рис. 1 описывает статически равновесный тупик вечного равновесия (в виде объёмов газов, минералов земной коры и подобного). Максимальный хаос составляющих их элементов, то есть максимум их энтропии, есть основа и причина существования перечисленных объектов. Они своей реальностью устраняют неопределённость этого хаоса и отображают максимально возможный в природе детерминизм. Поэтому максимальное количество информации содержится в статически равновесных состояниях, что в литературе остаётся непонятым.

Для разрушения равновесий, возникших на основе критерия 1, необходим внешний подвод энергии, который приводит к понятию об открытых системах. В них критерии устойчивости 2, 3 ответственны за то, что называют самоорганизацией хаоса или диссипативной самоорганизацией. Их использование составляет часть синергетики. Для многих открытых систем важны нелинейности взаимодействий их элементов. Критерии устойчивости Ляпунова записывают на основе линеаризованных уравнений. Но это не исключает анализа с их помощью нелинейных процессов, так как линеаризацию, необходимую для их формулировки, можно проводить на конкретном уровне.
   
Один из нерешённых вопросов в биофизике и биохимии жизни связан с тем, что во многих процессах метаболизма участвуют экстремумы энергии (например, свободной энергии G). Они ответственны за химическое равновесие. Это иллюстрирует критерий  4  на рис. 1.  Ответ на вопрос - где, как и почему надо руководствоваться экстремумами энтропии и её производства, а где экстремумами энергии? - впервые дан в моих работах [5] - [11].
 
Существо ответа в следующем. Энтропии соответствует максимум вероятности состояний элементов системы. В такой роли её определяют на основе нормировки по отношению к полным числу элементов системы и энергии. Это введено ещё классиками, начиная от Л. Больцмана. Однако осталось не обнаруженным, что результат нормировки энтропии определяет её в виде функции комплексного переменного [5], [10]. Её действительная составляющая выражается как функция от энергии. Мнимая ось отображает действие-энтропию-информацию, порождаемую случайностями (рис. 2).
     
Устойчивость есть ключевое слово для синтеза информации. Определение энтропии как функции комплексного переменного позволяет при анализе устойчивости использовать аппарат и методы, которые детально разработаны для прикладных задач теории автоматического регулирования. В частности, использование критериев устойчивости в комплексной плоскости (5 на рис. 1) позволяет определить запоминание с учётом одновременно как экстремумов энтропии-информации и её производства (зависящих от случайностей), так и однозначных физико-химических закономерностей. Отпадает необходимость спорить что главнее? - экстремумы свободной энергии или случайности, описываемые действием-энтропией-информацией. Сама процедура определения устойчивости даёт количественный ответ об их соотношении.


 
Устойчивую область (то есть реализованное запоминание при синтезе информации) в комплексной плоскости можно описать вектором из начала координат в эту область (рис. 2). Угол , образуемый им с действительной осью координат  I_k, количественно связан с долей физико-химических законов в синтезе информации на основе случайностей. В частности, можно ввести меру такой доли с помощью косинуса угла с действительной осью комплексного числа (вектора), описывающего состояние или объект. В [5], [10] он назван - семантический коэффициент. Он количественно определяет долю однозначных физико-химических законов в существовании объектов и процессов природы. Этим закрыт вопрос о полумистической роли свободной энергии для живых систем.
 
Переход к функциям комплексного переменного вводит универсальные критерии запоминания (устойчивости) при синтезе информации. Это позволяет дать конкретные ответы [5] на вечные вопросы - что есть рецепция, ценность и незаменимость информации при возникновении и эволюции жизни?
   
1. Рецепция информации в биологических системах есть изменение условий для случайностей при синтезе информации.
2. Ценность биологической информации есть запас устойчивости, который создаёт рецепция или синтез информации.
3. Незаменимость биологической информации есть ширина области устойчивости при запоминании в процессе синтеза информации.

Действие критериев устойчивости 2, 3 на рис. 1, результаты которого И. Пригожин назвал возникающим, в действительности приводит к тупикам равновесий. В отличие от действия критерия 1, это тупики динамического равновесия.
 
В существующей литературе не было ответа на вопрос - почему в природе закономерно наблюдается непрерывное развитие? Ведь сегодня в науке для возникающего (критерии 2, 3) путь дальнейшей эволюции определён только как распад и возврат к структурам на основе критериев 1, 4 на рис. 1.
 
Ответ на этот вопрос дан в моих предыдущих работах [5] - [11]. Введенный в [6] принцип максимума производства энтропии (принцип максимума способности к превращениям) объясняет переход систем через тупики равновесия (переход по ступеням иерархии) и этим гарантирует непрерывное развитие в природе.


 
Принцип максимума производства энтропии основан на критерии устойчивости 6 на рис. 1. Он определяет седловую поверхность (рис. 3). В одном её сечении реализован минимум энтропии-информации (статически неустойчивое состояние). Это гарантирует разрушение тупиков равновесий. Устойчивость возникает при сочетании этого минимума с максимумом производства энтропии для другого сечения.
 
Тогда, казалось бы, природой управляют одновременно два противоположных принципа:   минимум производства энтропии Пригожина и мой принцип максимума производства энтропии. Однако противоречий в этом нет, так как принцип минимума производства энтропии Пригожина сформулирован по отношению к переменным самих объектов, а принцип максимума производства энтропии задаёт синтез информации об адиабатических инвариантах данного класса задач. Понятие адиабатических инвариантов ввёл Пауль Эренфест в начале ХХ века. Примером адиабатического инварианта у Эренфеста является отношение энергии  E к частоте n для маятника (рис. 4), длина подвеса которого медленно изменяется за счёт приложенной силы.



Постоянные Планка - h и Больцмана - являются адиабатическими инвариантами атомных и молекулярно-кинетических систем соответственно. Адиабатические инварианты выражаются в единицах (как эквивалентом размерности) переменной механики - действия в виде произведение [Джоуль х секунда].  Подробнее это пояснено в [5], [10].

Конкретная форма участия адиабатических инвариантов в тепловых (молекулярно-кинетических) процессах такова, что они преимущественно входят в закономерности с множителем - температурой, то есть в виде величины с размерностью энергии. Размерностью температуры [5], [10] является [обратное время]. Однако форма произведения создаёт произвол совместного определения действия и температуры, когда постоянная Больцмана и температура взаимосогласованно могут быть выражены в единицах (размерностях), не имеющих прямой связи с системой размерностей в физике.


2. Иерархия синтеза информации в природе

Принцип максимума производства энтропии-информации создаёт последовательность иерархических плоскостей синтеза информации - иерархию синтеза энтропии-информации [5] - [11]. Она показана на рис. 5 и определена в трёхмерных координатах:
семантическая информация I (которая, в частности, зависит от свободной энергии, то есть химических равновесий и их динамики);  энтропия-информация  iS  как мнимая составляющая, синтезируемая на основе случайностей (запоминаемых при ограничивающих условиях);  информация об адиабатических инвариантах системы  J.  Для ступеней иерархии, ответственных за жизнь и разум, адиабатические инварианты не совпадают с постоянными Планка или Больцмана. В отличие от тупиков статических равновесий или возникающего в виде динамических равновесий (запоминаемого на основе критериев устойчивости 1 - 5  рис. 1), иерархия развития непрерывно продолжается с участием принципа максимума производства энтропии (рис. 6).






Развитие в виде иерархического роста энтропии-информации описывает ряд для её мнимой составляющей (собственно энтропии-информации) [5] - [11] :



В составе этого ряда



где , согласно рис. 5, есть мера  информации, определяющая положение плоскостей синтеза информации, а отражает количество информации, синтезированной за счёт процессов самоорганизации типа 2, 3 на рис. 1 (процессы внутри плоскостей на рис. 5).
 
Каждый последующий член этого ряда описывает энтропию-информацию при новых признаках и условиях по отношению к предыдущим, а есть информация, принятая за начало отсчета для данной постановки задачи. Экстремумы энтропии-информации и её производства, описывающие запоминание при синтезе информации, очень острые. Но человек есть один из биологических видов жизни, то есть сам является элементом в одном из таких экстремумов. Поэтому для него наблюдаем разброс вблизи экстремальной точки. Это на рис. 5 отображает конечная толщина плоскостей синтеза информации.



Существование адиабатического инварианта для иерархических ступеней синтеза информации совместимо с неадиабатическими процессами для . Например, существование постоянной Больцмана не противоречит возможности неадиабатического расширения газа.
 
Для членов ряда (2) выполняется известное для энтропии соотношение: энтропия при дополнительных условиях меньше, чем до наложения этих условий (в данном случае заданных при (k - 1) синтезе информации и помеченных справа от вертикальной черты в индексах):



где знак равенства отвечает равновероятному случайному изменению условий, а потому неинтересен.



В результате ступенчатая иерархия развития, отображаемая иерархией адиабатических инвариантов систем (рис. 5), сопровождается экспоненциальным уменьшением высоты ступеней (рис. 7). Наблюдаемы человеком преимущественно последние ступени этой иерархии, к одной из которых он принадлежит. В них диапазон изменения энтропии-информации мал. Поэтому, находясь внутри своей ступени иерархии, человек считает своё существование результатом увеличения порядка (уменьшения энтропии-информации). Это - кажущийся эффект.
 
Ряд (2) и условие (4) объясняют главный парадокс при попытках физико-химического описания жизни. Возникновение и эволюция жизни являются результатом роста энтропии (беспорядка). Флуктуации, направленные к росту порядка, для этого не нужны. Человек в силу уменьшения высоты иерархических ступеней воспринимает рост беспорядка как увеличение порядка. Этим разрешена проблема совместимости жизни со вторым началом термодинамики (о втором начале термодинамики см. [5] параграфы 3, 4 из главы VI или статью на этом сайте).
 
Современная расшифровка генома человека [13], [14] исчерпывающе подтвердила справедливость такого утверждения. Оказалось, что у человека более трети генов сходны с бактериальными. Этот факт, закономерный на основе изложенного выше (рис. 7), вызвал удивление. Очевидно, что работы  [5] - [11] генетиками ещё не поняты.
 
Иерархический ряд для энтропии-информации определяет понятие сложности биологической системы в виде числа уровней иерахии синтеза информации, которое необходимо для её реализации.
 
Подчеркну две особенности членов иерархического ряда (2) для действия-энтропии-информации.
 
Первая. Экстремумы действия-энтропии-информации, определяющие устойчивость (запоминание), относятся к наиболее точно детерминированным величинам в природе.  В случае статического равновесия для систем из многих элементов речь идёт о десятках знаков точности их величины. Для динамических равновесий абсолютные цифры намного меньше, но смысл максимума детерминизма для них сохраняется. Источник этого детерминизма - случайности и их вероятности. Результат - закономерность. Поэтому вероятности для процессов и объектов, участвующие в синтезе информации на предыдущей ступени иерархии, на каждой следующей ступени забываются. Их нельзя перемножать, пытаясь вычислить вероятность возникновения и существования конкретного объекта на конкретной ступени иерархии.
 
Вторая. В терминах механики энтропия-информация является действием. Понятие нулевого предела для функции в точке является приближённой абстракцией. Для энтропии (информации-действия) обязательно выполнение второго начала термодинамики. В частности, формулировка Каратеодори второго начала утверждает, что в окрестности любого состояния системы существуют состояния, недостижимые адиабатически. Для действия это выражается взаимосвязанной конечностью малых приращений координат и импульсов (подробности см. [10]). Такая неопределённость является утверждением детерминизма природы - существуют пороги, в пределах которых результат не зависит от малых случайных ошибок в его достижении. На старших ступенях иерархии координаты и импульсы становятся обобщёнными (в смысле уравнений Гамильтона в механике), но неопределённость и связанные с ней пороги существуют. Детерминизм экстремумов энтропии (информации-действия) и её производства не противоречит этой неопределённости, даже сильнее, существует благодаря внесенным ею порогам. Эти пороги разрешают в своих пределах подстройку прошлых закономерных результатов к новым условиям на старших ступенях иерархии роста энтропии.
 
В частности, нейтралистские мутации не есть источник случайностей для работы отбора. Они отражают детерминизм эволюции жизни как разных реализаций одинаковых принципов [5]. На уровне вида детерминизм выражает иммунологическая несовместимость как пример взаимосогласованной изменчивости, которая не выходит за пределы порогов.

Человек и его разум являются одним из элементов на старших ступенях иерархии. Поэтому для него наблюдаем разброс внутри порогов. Более того, различия для него становятся решающим предметом обсуждений. Общее этим заслоняется.

   
3. Ключевые этапы и условия при синтезе информации о возникновении и эволюции жизни

В терминах биологии первой составляющей энтропии в составе ряда (2) сопоставляется собственно генетическая информация. Вторая описывает самоорганизацию живой системы на основе элементов с генетически заданными свойствами.
 
Известный факт ничтожных генетических различий коровы и кита в сочетании с несопоставимостью их внешних признаков показывает насколько существенным может быть вклад самоорганизации в видообразование при мало отличающейся генетической основе. Процессы самоорганизации действуют в пределах каждой иерархической плоскости (рис. 5) синтеза информации, имеющей заданный адиабатический инвариант. Это сохраняется и на уровне членов ряда для энтропии-информации, ответственных за возникновение и эволюцию жизни.
 
Иерархический синтез информации есть наиболее общий вид самоорганизации материи. Он же является основным законом биологической эволюции. В частности, переход от неживой природы к живой устанавливает запомненный максимум иерархической энтропии-информации на уровне заполнения электронных оболочек атомов [5] - [11]. Его выражает известное огромное число соединений углерода как отображение возможных состояний для электронов в его атомах. Энтропия в этом случае, как и всегда, вычисляется на основе числа возможных состояний (или их вероятностей) и выражается его логарифмом. Число соединений с участием водорода больше, чем для углерода. Но водород имеет одну валентность, поэтому, несмотря на огромное число соединений, в которых он участвует, мала энтропия как характеристика заполнения его электронной оболочки.



Условие максимума энтропии для признаков на уровне образования химических элементов устанавливает детерминизм равновесия, преодоление которого на основе принципа максимума производства действия-энтропии-информации определяет возможность возникновения жизни. Это показано вверху на рис. 8.
 
Свойства атомов определены в шестимерном фазовом пространстве (строго в 6N-мерном, где N - число элементов системы). В энергетических критериях веществам жизни соответствуют кристаллы в шестимерном пространстве. Наблюдаемы их трёхмерные сечения. Когда они образованы при рациональных углах сечения - это обычные кристаллы. Если углы иррациональны, то наблюдаются объекты, называемые квазикристаллами. В них существует упорядоченность (хотя в физике её называют дальним порядком или нелокальностью), но отсутствует периодичность повторения элементов структуры в трёхмерном сечении. Это объясняет [5] - [11] определение Э. Шрёдингером составляющих жизни как апериодических кристаллов.
  
Следующая ступень иерархии энтропии-информации основана на веществах и химических реакциях в живых системах, подчиняющихся принципу структурной комплементарности - взаимосогласованность цепочек до 20 и больше практически безотходных реакций (середина рис. 8). Этот принцип является следствием квазикристаллических (в шестимерном пространстве) симметрий веществ жизни.

Свойства углерода как отображение максимума энтропии на уровне образования элементов таблицы Менделеева определяют, что жизнь во Вселенной возможна только на основе углерода и в сопоставимых физико-химических формах. За счёт этих же свойств высока вероятность воспроизводства предбиологических условий для возникновения жизни на многих планетах во Вселенной (сегодня в радиусе 50 - 60 световых лет от Земли открыто более 100 планетных систем).
  
Продолжают иерархию синтеза энтропии-информации молекулы РНК и ДНК (внизу на рис. 8). Их наиболее характерным физико-химическим отличием как молекул является примерно равная свободная энергия разных комбинаций кодонов (отнесенная к одному кодону). Этим ДНК и РНК принципиально отличаются от остальных соединений углерода, для которых минимум свободной энергии в данных условиях однозначно диктует состав и форму молекулы (зеркальные изомеры есть исключения, которые только подчёркивают это правило).
 
Потеря энергетической однозначности для молекул РНК и ДНК с участием принципа структурной комплементарности становится источником новых случайностей, то есть ступеней иерархии энтропии-информации выше уровня молекул однозначных химических соединений [5].
 
Среди соединений в максимуме энтропии-информации, реализованных с участием углерода, дальнейшая способность превращений возникает потому, что второе начало термодинамики запрещает вечное равновесие. Невозможность вечного равновесия, выраженная общим для всей природы стремлением к максимуму способности превращений (принципом максимума производства энтропии), есть причина возникновения молекул РНК и ДНК (нового иерархического уровня случайностей, то есть роста энтропии-информации).
 
Ещё одно отличие РНК и ДНК от других молекул состоит в том, что составляющие их единичные нуклеотиды не могут катализировать реакции образования белков из аминокислот. Только тройка нуклеотидов - кодон - способна катализировать встраивание одной аминокислоты в молекулу белка. Это есть причина возникновения дискретности в каталитическом синтезе. Эту дискретность связывают с понятием о генетическом коде в РНК или ДНК.
 
Однако генетический код далёк от математического понимания оптимальности кодирования. Это становится [5] - [11] одной из составляющих возникновения и эволюции жизни, так как неоптимальность кода создаёт новые возможности и условия для случайностей.
 
Видообразование и метаболизм организмов преимущественно являются динамическими равновесиями. Между ними возможны переходные процессы, которые по определению неустойчивы, а потому нереализуемы на уровне наблюдений (то есть не могут отображать виды или основы их метаболизма). Поэтому непрерывная эволюция, как правило, содержит скачки.

Жизнь, несомненно, есть открытая неравновесная система. Для своего возникновения и существования она должна получать энергию и вещества извне. При постоянном подчёркивании в литературе неравновесности живых систем теряется восприятие главного для жизни - динамических равновесий. Именно они есть объекты, состояния и процессы живых организмов, в частности, таксономические градации жизни. В литературе подчёркивается, что информация возникает и важна только для неравновесных процессов. Это ошибка. Количество информации в равновесных состояних больше, чем в иерархически возникающих над ними стационарных неравновесных процессах (динамических равновесиях).
 
Поясню это в другой терминологии. Подвод энергии в открытых системах может приводить к уменьшению энтропии. Это при возникновении термодинамики Р. Клаузиус назвал компенсирующими процессами. Они должны быть специально организованы с помощью условий. Преимущественным самопроизвольным итогом подвода энергии в открытой системе является её термализации, выражаемая ростом энтропии и приходом к тупику статического равновесия.
 
В открытых системах возможен так же самопроизвольный (сопровождающийся ростом энтропии) итог подвода энергии, в результате которого возникают и им поддерживаются динамические равновесия - рост энтропии происходит иерархически. В частности, самоорганизация на основе критериев 2, 3 рис. 1 есть один из частных случаев формирования объектов внутри уровней иерархии. Возникающим на них являются самопроизвольно образовавшиеся объекты, упорядоченные фактом своего существования, причина реальности которых - рост энтропии, но иерархический. Для многоступенчатой иерархии решающим является принцип максимума производства энтропии (критерий 6 на рис. 1).
 
Важно подчеркнуть, что случайности и их вероятности участвуют в иерархическом синтезе информации в виде аргументов энтропии (действия-информации) при её определении (1а) или в виде выражений, конкретизирующих его. Напоминаю об особенностях использования термина действие-энтропия-информация, отмеченных в начале статьи. Но энтропия в них остаётся характеристикой наиболее вероятного состояния системы. Поэтому синтез информации обрывает накопление случайностей. Он создаёт объекты, устранившие своим существованием предыдущую неопределённость. Дальше они как целое становятся участниками новых случайностей и их вероятностей. При каждом новом синтезе информации выражающие его объекты и процессы забывают предысторию. Остаются реальностью их свойства как новых элементов систем. Характеризуя вероятность возникновения объектов на данном старшем уровне иерархии, нельзя перемножать вероятности, которые работали на предыдущих ступенях иерархии. Условие типа (4) неприменимо к вероятностям. Оно справедливо для энтропии (1) или (1а) как функции случайностей.
 
Иерархический рост энтропии-информации является самопроизвольным процессом. На любом уровне иерархии объекты возникают не с целью реализации каких-то свойств, а потому, что этого требует глобальный закон природы - второе начало термодинамики.
 
Возможно в данных условиях наиболее вероятное состояние для хаоса элементов системы - оно реализуется и этим детерминировано. Нет его - обсуждать нечего. В частности, жизнь не существует и не может существовать на Солнце или в виде неких пылевых облаков в космосе. Она возникает и эволюционирует в результате свойств углерода как максимума действия-энтропии-информации на уровне образования атомов химических элементов. Возможна она только в узком диапазоне планетарных геофизических условий.
 
В феноменологических терминах наиболее вероятное состояние системы отвечает статическим или динамическим равновесиям. Их существование неустранимо требует силы, формирующей их. Результаты законов изменений и синтеза энтропии-информации в виде объектов и процессов зависят от внешних и внутренних условий. В их образовании участвует термодинамическая сила, которая при  k-том синтезе информации определена в виде:

,
                                                 
где в числителе энергия, участвующая в этом синтезе. Эта сила имеет размерность обратного времени. Она зависит от изменения масштаба времени в системе. В частных случаях её описывает обратная температура [5], [10].
 
Зависимость результата синтеза информации от условий, как впервые введено в [5], может быть конкретизирована и в терминах известных законов установления равновесий между излучением и веществом.

   
4. Роль в видообразовании индуцированных процессов А. Эйнштейна

Открытость живых систем и их неравновесность важны потому, что являются источниками динамических равновесий (как синтезированной информации), в частности, для ДНК и её окружения в клетках. С этим связано разрешение парадокса дарвинизма о слишком малой для работы отбора частоте мутаций в ДНК. К оценкам типа 10 в минус сотой степени для видообразования как результата независимых случайностей это отношения не имеет в связи с их бессмысленностью. Речь идёт о впервые установленных в [5] закономерностях при формировании случайных мутаций в ДНК.

Виды живых организмов существуют. При неизменных условиях они сохраняются практически тождественными сотни миллионов лет. Например, некоторые виды океанских рыб. Среди простейших форм жизни можно найти виды, для которых сроки существования составляют миллиарды лет (например, сине-зелёные водоросли, около 4-х миллиардов лет). Это означает, что частота спонтанных мутаций под действием причин внутренних (биохимические ошибки) и внешних (нормальный радиационный фон) мала настолько, сколько нужно стабилизирующему отбору И.И. Шмальгаузена для того, чтобы сохранить вид. Классикой оценки вероятности таких спонтанных мутаций являются наблюдения Г. Меллера и Е. Альтенбурга над дрозофилами ещё 1919 г. Их результаты дали частоту спонтанных мутаций 10 в минус 5  - 10 в минус 6 степени, то есть один мутантный ген на сто тысяч - миллион особей. Речь идёт о случайностях для стабильно существующего вида жизни и мутациях, совместимых с формированием особи хотя бы до уровня, допускающего наблюдения. В терминах синтеза информации - это случайности в пределах данного уровня иерархии.
 
Столь же достоверно, что существуют виды, прямо или косвенно возникшие за счёт изменений ДНК видов-долгожителей. Для такого конкретного шага видообразования  наблюдаемые частоты спонтанных мутаций малы на порядки. Кроме того, необходимы не только мутации ДНК, но они должны специфически соответствовать внешним условиям - гарантировать экспоненциальное размножение. Сегодня ясно, что такое видообразование в природе происходит систематически и мгновенно в масштабах времён эволюции. Наиболее впечатляющий пример мгновенности относится к самому невероятному - первичному возникновению жизни на Земле. По современным оценкам сине-зелёные водоросли (то есть фотосинтезирующие прокариотические организмы) существовали порядка 4 миллиардов лет назад. В этих масштабах мал отрезок времени предистории жизни, который геофизика Земли оставляет для условий, совместимых с существованием биомолекул. Один из примеров быстрой изменчивости в современных условиях - наблюдения Н.П. Дубинина изменений дикой популяции дрозофил за время Отечественной войны.

Парадокс дарвинизма как отбора из независимых случайностей состоит в альтернативе видов-долгожителей и наблюдаемой мгновенной изменчивости других видов. Предложены частные механизмы, объясняющие этот парадокс. Например, эпизодическое интенсивное гамма-облучение или участие вирусов в переносе генетического материала. Достижения молекулярной биологии и исследования популяций вносят другие частные решения. Однако в них присутствует внешняя по отношению к природе цель эволюции жизни, что делает результаты условными. Нужны физические решения, устраняющие этот парадокс. Они даны в [5] - [11].
 
В терминах иерархии синтеза информации дарвиновский отбор основан на случайностях, которые прошли проверку на устойчивость (запоминание). Первый уровень в этом образован ДНК как молекулами, образующимися в конкретной среде и условиях. Дальше включается иерархическая ступень самоорганизации, ответственной за существование и размножение клетки на основе ДНК. Потом ступень симбиоза клетки в организме. И, наконец, ступень взаимодействий в экологической нише организма как целого. Точечные мутации в ДНК относятся к первому из перечисленных уровней иерархии.
  
Молекулы ДНК в пределе являются равновесными объектами. Как показал ещё в начале ХХ века А. Эйнштейн на примере равновесия излучения и вещества, для установления равновесия обязательно существование двух классов процессов, приводящих к нему.
 
Первый из них есть случайные (спонтанные) акты. Их характеризует некоторая постоянная вероятность (частота). Но за их счёт равновесие может установиться только как уникальная случайность. Ведь равновесию всегда противостоят деструктивные акты. Поэтому практически невозможно случайно получить совпадение постоянной частоты спонтанных актов с частотой деструктивных процессов, необходимое для прихода к равновесию,. Нужны ещё индуцированные процессы, частота которых пропорциональна плотности актов приближения к равновесию. Равновесие достижимо только за счёт этих двух процессов одновременно.
 


Для геномов частота спонтанных переходов и постоянная пропорциональности индуцированных актов должны зависеть от состояния ДНК, которое отождествляется с возбуждением, и от состояния, в которое происходит возврат (что есть свершившаяся мутация). На рис. 9 показаны основное равновесное сосояние ДНК (внизу) и возможные уровни динамических равновесий в виде её возбуждённых состояний. Основной уровень для ДНК является статическим равновесием преимущественно для спор микробов. На рис. 9 уровень, обозначенный Двойная спираль, динамически равновесный. В терминах оптики такие равновесия эквивалентны метастабильным уровням электронов в атомах.

Слева вверху на рис. 9 показаны возбуждения, отвечающие радиоактивным и химическим мутагенам. Справа вверху - метастабильное состояние гамет, которое является максимальным не деструктивным возбуждением для ДНК. Показанные стрелками вниз переходы между состояниями ДНК обязательно включают в себя спонтанные и индуцированные процессы. Вид является динамически равновесным объектом. В частности, вклад динамических процессов выражает репарация повреждений в функционирующей ДНК.
 
Введение в процесс мутаций аналогов индуцированных переходов Эйнштейна в сочетании с объясненной выше иерархичностью синтеза информации устраняет общеизвестное неудовлетворение тем, что наблюдаемая частота спонтанных мутаций ДНК мала, чтобы объяснить на уровне ДНК классический дарвинизм как отбор из случайностей. Индуцированные переходы вводят обратную связь между мутациями и условиями внешней и внутренней среды живого организма. Когда условия неизменны, индуцированные переходы повышают частоту мутаций, направленных к исправлению случайных ошибок в ДНК (создают основу стабилизирующего отбора). Если условия изменились, то частота мутаций возрастёт там и на сколько нужно для нового динамического равновесия на уровне молекулы ДНК. Поэтому новая структура или функция возникнет с вероятностью, близкой к единице, если отвечающее ей динамическое равновесие возможно и совместимо с выживанием организма. В этом участвуют последующие ступени иерархии роста энтропии-информации. Произведение вероятностей для них незаконно.

Не нужны волевые цифры вероятностей точечных мутаций. Поэтому нет необходимости и в количественных иллюстрациях роли индуцированных переходов  - если  равновесие (преимущественно динамическое) возможно, то частота направленных к нему мутаций возрастёт по отношению к частоте соответствующих спонтанных мутаций во столько раз или на столько порядков, сколько нужно для его установления [5]. Здесь проявляется аналогия с лазерным излучением, для которого частота спонтанных переходов в атомах является второстепенной.
 
Равновесия, ответственные за видообразование, дискретны. Об этом говорит известный экспериментальный факт - как правило, внешние мутагены дают повышение частоты тех мутаций, которые известны как редкие спонтанные. Но даже по отношению к таким мутациям равновесия возникнут только тогда, когда присутствуют вещества и условия для них. Более того, результат, наблюдаемый на уровне биохимических или фенотипических особенностей вида, требует участия уровней иерархии, старших по отношению к ДНК как молекуле. Упомянутые выше результаты современных исследований роли мутагенов, вирусов, популяций и другое детализируют это. Однако с учётом индуцированных переходов не гипотетические независимые вероятности, а реальные физико-химические условия оказываются решающими для возникновения новых функций организмов или таксономических градаций жизни.
 
Если из численных оценок частоты точечных мутаций как независимых случайностей получается, что ежедневно реально наблюдаемое в природе имеет вероятность порядка 10 в минус сотой степени, то эти оценки означают только одно - несостоятельность их предпосылок и результатов. Кстати, в [5] пояснено, что сам Ч. Дарвин не предполагал той роли случайностей в естественном отборе, которую навязывают дарвинизму с помощью таких оценок. Он даже использовал резкое выражение - искажение чужих мыслей. Дарвин исследовал изменчивость и эволюцию на уровне конкретных видов. Повышение частоты индуцированных мутаций относится к вероятностям процессов в пределах ступени иерархии, ответственных за то же самое - образование конкретных функций и видов живых организмов в пределах данного уровня иерархии или перехода на очередной следующий. Оно не имеет отношения к абсурдным оценкам.
 
Индуцированные процессы при образовании мутаций наблюдаются экспериментально, но не поняты в такой роли. Например, известны опыты с мутациями [15], когда в окружающей среде отсутствуют нуклеотиды, необходимые для полного цикла метаболизма ДНК. Тогда происходит  повышение на порядки частоты мутаций генов, контролирующих синтез недостающих в среде нуклеотидов. Изменение частоты мутаций наиболее велико для переходов между активными в данный момент уровнями на рис. 9. Мутация - это есть итог прихода молекулы ДНК к равновесию. Экспериментально наблюдаемое повышение частоты мутаций, направленных на воспроизводство недостающих нуклеотидов, является выражением аналога индуцированных процессов А. Эйнштейна для возврата к равновесию ДНК (преимущественно динамическому).
 
Слишком низкая частота спонтанных мутаций для работы дарвинизма как отбора из независимых случайностей есть выражение защищённости форм жизни (их детерминизма). Если бы частота спонтанных мутаций была такой большой, как хотят современные дарвинисты, жизнь в устойчивых формах не могла бы возникнуть и существовать из-за её спонтанного распада. Поэтому возникновение и эволюция жизни возможны только тогда, когда уровень радиационного фона мал.
 
Принято разделять эволюцию на микроэволюцию и макроэволюцию. Введу соответствующие строгие определения. Микроэволюция есть динамически устойчивые равновесия, которые возникают в процессах стремления к тупику равновесий. Макроэволюция есть преодоление тупиков равновесия на основе принципа максимума производства энтропии. Макроэволюция всегда есть скачки. Микроэволюция может быть непрерывной, но переходные формы в ней по определению неустойчивы, а потому преимущественно ненаблюдаемы.
 
Дарвиновский естественный отбор не есть движущая сила эволюции. Он отражает запоминание при синтезе информации о таксономических градациях в форме выживания выживающих. Существует и работает физическая (термодинамическая) сила (5), зависящая от изменений энтропии-информации как физической переменной на соответствующих уровнях её иерархии. Это дополняют индуцированные переходы при образовании мутаций. Результат - реализация в природе доступного ей аналога проекта и формы целесообразности (именно и только в кавычках) в виде статических или динамических равновесий. Не предзаданных, а самопроизвольно возникших в данных условиях. Они являются выражением нового видообразования или сохранения существующих видов, если такое возможно.
 
Новая модель [5] - [11] сводит возникновение и эволюцию жизни и разума к законам физики и химии. Подчеркну это кратким повторением ключевого для новой модели.
  
1. Экстремумы энтропии (то есть функции случайностей) относятся к величинам, детерминированным с максимальной известной в природе точностью.
 
2. Закон иерархического синтеза энтропиии (действия-нформации) и принцип максимума производства энтропии устанавливают, что случайности в процессе возникновения и эволюции жизни  реализуются как аргументы действия-энтропии-информации по отношению к иерархически изменяющимся элементам живых систем. Случайности для каждого уровня иерархии заканчиваются элементами, которые являются закономерным целым, забывшим о предыдущих случайностях. Итог такой иерерхии - самопроизвольный рост энтропии (действия-информации), обязательный в силу второго начала термодинамики. Уменьшение высоты иерархических ступеней по мере эволюции жизни создаёт иллюзию роста упорядоченности.
 
3. Случайности в природе ограничены условиями физико-химических законов. В  частности, запоминание (как устойчивость) при синтезе информации в природе описывается критериями устойчивости в комплексной плоскости. Этим определено соотношение между экстремумами энтропии-информации и энергии взаимодействий (например, свободной) при возникновении и эволюции жизни.
  
4. Процессы образования мутаций, наряду со случайной составляющей, имеющей малую вероятность (спонтанные мутации), содержат индуцированные переходы к статическим и/или динамическим равновесиям. Индуцированные процессы вводят в новое видообразование закономерности связей с внутренними и внешними условиями живых организмов. Кроме того, существует физическая (термодинамическая) сила, направленная к видообразованию как равновесиям.
 
5. В целом, в возникновении и эволюции жизни роль случайностей (вероятностей) как аргумента энтропии по своим принципам не отличается от аналогичного в неживых системах. Иерархия - случайности, превратившиеся в закономерности как основу новых случайностей - действует в природе, начиная от уровня элементарных частиц. Жизнь, человек, его разум всего лишь последние самые малые ступени в этой иерархии. Поэтому на уровне физических первых принципов живая природа является однородным продолжением неживой.
 
С учётом иерархии синтеза информации (особенности которой подчёркнуты в п.п. 1 - 5), возникновение новых структур и функций в живой природе имеет вероятность, близкую к единице, и требует малого исторического (геофизического) времени для реализации. Более того, большие времена, необходимые для появления нового в эволюции жизни, часто связаны не с малыми вероятностями, а со временем, необходимым для геофизических или экологических изменений. Без них нет условий для развития нового, даже если синтез его состоялся. Пример - первые млекопитающие. Они в малом числе сосуществовали с динозаврами. Столкновение Земли с метеоритом изменило климат и создало условия, в которых у млекопитающих с вероятностью, близкой к единице, развились индуцированные мутации, направленные на возникновение их видов, способных использовать детали новых геофизических условий. Пример экологической катастрофы как условия для образования новых таксономических градаций жизни - синтез её первичными формами кислородной атмосферы Земли.
 
Подчеркнутое о непродуктивности независимых случайностей следует дополнить тем, что с помощью только однозначных энергетических критериев невозможно объяснить возникновение и существование жизни (как и многих объектов неживой природы). Иерархический синтез информации (введенный в [5] - [11]), который основан одновременно и на случайностях, и на однозначных энергетических закономерностях, является наиболее общим законом природы, а потому и жизни, и разума во всех формах.