Цифровой журнал «Компьютерра» 2011 № 39 (87) - [13]

К оглавлению

Колумнисты

Кафедра Ваннаха: Углерод и кремний Ваннах Михаил

Опубликовано 19 сентября 2011 года

Мир информационных технологий – мир кремния. Ну а те вычислители, асинхронные нейросети или квантовые компьютеры (если принять гипотезу Пенроуза), на которых запущены процессы, дающие нам разум и самосознание, сделаны на углероде. Точнее – на органике. Соединениях углерода. Почему так? И так ли оно будет впредь?

Почему же жизнь функционирует на Земле на углероде? Потому что его много на нашей планете? Да, немало… Но кремния-то больше. Раз в 270-290 в земной коре! И, по идее, роль кремния в биосфере должна быть пропорционально больше? Ан нет… В организмах он присутствует, но изрядно, по классификации В.И. Вернадского, на «декаду» (не менее чем на десятичный порядок) уступая углероду.

Почему же так случилось?

Давайте же посмотрим на жизнь как на антиэнтропийный процесс. По давнему, начала 1960-х годов, определению А.А. Ляпунова, это «высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул». Скажем, в мировом океане существуют сохраняющие реакции, поддерживающие уровень растворённого в нем углеродного газа, – это взаимопереходы растворимого бикарбоната кальция и нерастворимого карбоната кальция. Но в молекулах в этом процессе ничего не кодируется – имеют место обычные химические реакции, преимущественно в ту или иную сторону.

Должно ли кодирование информации осуществляться именно состоянием молекул, вопрос отдельный. Но, как мы видим, в этом определении никаких ограничений на состав этих молекул нет. И почему бы эволюции было не воспользоваться тем, что у неё под рукой в большем количестве?

Вот отец неравновесной термодинамики Илья Пригожин отмечал, что у систем биологических, в отличие от физических, есть прошлое. Что молекулы, входящие в них, были отобраны прошлыми эволюционными процессами для участия в автокаталитических, усиливающих самих себя реакциях. Но и тут никакого запрета на применение кремния не существует. Так почему же жизнь и разум на нашей планете функционируют на основе углерода?

Дело в его химических свойствах. Атомы углерода меньше, нежели у кремния, — 91 пикометр радиуса против 132 пикометров. Образуемые ими связи, в том числе ковалентные углерод-углеродные, прочнее и разнообразнее. Какие полимеры образует в присутствии кислорода, синтезированного в топках звёзд ранних поколений, давших жизнь Солнечной системе, кремний?

Да очень скучные и однообразные, на базе двуокиси кремния. Нерастворимые, неактивные… А спаренные углероды создают вокруг каждого атома углерода тетраэдрическую конфигурацию, работающую превосходным каркасом для органических молекул с различной пространственной структурой. Не могу назвать иной химический элемент, кроме углерода, который способен образовать такое разнообразие прочных молекул. Обратим внимание: прочных! Чтобы бороться с энтропией, прочность необходима.

Конкретика того, что входит в состав живых организмов, неважна. Белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды (жиры и жироподобные вещества) – всё это произвольно. Ещё более произвольно то, что на нашей планете все белки построены из левовращающих аминокислот, все нуклеиновые кислоты – из правовращающих сахаров. Любителей «твёрдой» научной фантастики отошлём к рассказу Михаила Владимирова (псевдоним некоего член-корреспондента АН СССР) «Остров зеркального отражения».

Важно то, что построены эти вещества из прочных и разнообразных молекул. Их основой служит углерод, определённые квантовой механикой свойства которого придают им такое разнообразие. Ну вот так оно на нашей планете. Так уж шла эволюция…

А кремний, хоть на него и падает больше четверти состава земной коры, такого разнообразия и такой прочности не даёт. И хотя именно кремний придаёт прочность нашим костям, зубам и ногтям (вспомним о дарвиновской «эволюции с когтями и клыками»), материал он в биосфере вспомогательный. (Углерод, по Вернадскому, в декаде второй; первая — это водород с кислородом, а кремний — в третьей.)

Ну а эволюция – дама безмозглая. Комбинаторными способностями она обладает. Времени у неё – миллиарды лет. Полигон – размером с планету. Равнодушию к страданиям её жертв — тех самых существ, не прошедших естественный отбор и в результате этого разрываемых когтями и разгрызаемых клыками, позавидует любой садист…

Но вот творческие способности – ограниченны и однообразны. На начальных этапах, сине-зеленые там всякие, одноклеточные – использование квантовой механики, фотосинтеза. А в высших животных – рычаги там, гидравлика… В начале технологии ХХ века, в конце откат к Архимеду Сиракузскому и Герону Александрийскому. За одним исключением – разума… Но это отдельный разговор.

Вернемся же теперь к технологиям. Обратимся к их истории. Было когда-то такое развлечение – радиолюбительство. Берёшь электронную лампу и на ней одной ладишь суперрегенеративный приёмник. Очень высокая чувствительность (достигаемая положительной обратной связью) и очень узкая (по той же причине) полоса пропускания. Регулировать нужно было непрерывно, но клевету А.М. Гольдберга с волн Би-Би-Си послушать удавалось сквозь заглушки.