 |
 |
 |
gordon0030@yandex.ru
Идея жизни и физика ее воплощения
14.03.2002 
1:16:00
Что такое жизнь с точки зрения физики? На этот вопрос постараются ответить доктор физико-математических наук Владимир Горбачев и кандидат технических наук Михаил Штеренберг.
Обзор темы
Оба участника дискуссии представляют два независимых взгляда на проблему. Горбачев — с точки зрения современных представлений физики, Штеренберг — свою собственную теорию, изложение которой начинается во второй части обзора после критики существующих представлений о жизни. Взгляд Горбачева более широк и энциклопедичен, Штеренберга — оригинален. Каждый из них готов изложить свое представление, причем за Горбачевым — более широкое освещение темы. Возможна критика одного другим, но, по мнению Штеренберга, это материал для другой передачи. В данной программе каждый из них настроен на независимое, согласно принципу дополнительности Бора, изложение собственной концепции.
Проблема сущности жизни как природного явления волновала ученых и философов во все времена. В 1828 г. немецкий химик Велер синтезировал мочевину, сделав этим первый шаг по обращению косного вещества в органическое, — шаг, не признанный оппонентами; мочевину сочли лишь мертвым отбросом организма. Но в 1854 г. француз Бертло синтезировал жиры, а в 1861 г. Бутлеров — сахара. С тех пор наука повела массированное наступление на тайны жизни, достигнув на этом направлении столь фундаментальных результатов, как теории Дарвина и Менделя, открытия Крика и Уотсона, синтез гена, создание начал генной инженерии и т. п.
Все эти успехи создавали впечатление, что синтез простейшего организма — дело времени. И хотя невообразимая сложность подобной задачи очевидна для специалистов и в наши дни, ученые и философы уже давно ставят вопрос о том, приближают ли нас эти открытия к пониманию сущности жизни или мы, как машинистка, расшифровываем начертание знаков гениальной рукописи творца, не будучи в состоянии вникнуть в ее смысл?
Еще в 1945 г. один из
Все эти успехи создавали впечатление, что синтез простейшего организма — дело времени. И хотя невообразимая сложность подобной задачи очевидна для специалистов и в наши дни, ученые и философы уже давно ставят вопрос о том, приближают ли нас эти открытия к пониманию сущности жизни или мы, как машинистка, расшифровываем начертание знаков гениальной рукописи творца, не будучи в состоянии вникнуть в ее смысл?
Еще в 1945 г. один из
Чем представляется жизнь с точки зрения физики? Нельзя не согласиться с Д. Берналом, который считал, что «истинная биология в полном смысле этого слова была бы наукой о природе и активности всех организованных объектов, где бы они не находились — на нашей планете, на других планетах солнечной системы, в иных звездных системах или в других галактиках и во все времена». По видимому, первой попыткой сформулировать представление об идее жизни, положившей начало первой парадигме о ней, было высказывание Л. Больцмана, сделанное им в 1886 г.: «Всеобщая борьба за существование... это борьба за энтропию, становящуюся доступной при переходе от пылающего солнца к холодной земле». Исследовавший развитие этой идеи П. Г. Кузнецов приводит выдержки из работ К. А. Тимирязева, Н. Д. Умова, Ф. Ауэрбаха, Э. С. Бауэра, А. И. Опарина, Э. Шредингера, в которых эта идея принимается и развивается. В частности Э. Шредингер высказал точку зрения, что «отрицательная энтропия — это то, чем питается жизнь», и считает важнейшим делом установление связи негэнтропии и упорядоченности для понимания сущности жизни. Трудами этих и многих других ученых к
Однако в 1953 г. один из основоположников общей теории систем Л. Берталанфи публикует работу, в которой показывает, что многие системы обладают способностью извлекать негэнтропию из внешней среды и «сбрасывать» туда же энтропию, наработанную внутри них, и что второй закон термодинамики при этом не нарушается. Это породило множество математических и экспериментальных исследований, рассматривавших жизнь как стационарный поток вещества и энергии, текущей сквозь организм. Но жизнь приравнивалась к стационарному потоку, режим которого неизменен во времени. Описание такого потока очень удобно: с физической точки зрения он устойчив, с математической — баланс прихода и расхода энергии и массы в нем равен нулю. Единственная сложность его математического описания связана с не нулевым балансом энтропии
Теоретические разработки в этой области опирались на эксперименты двух видов. К первому относились опыты с физическими стационарными потоками, удаленными от равновесия, — тепловым и гидродинамическим. При микровоздействиях на эти потоки в них происходили скачкообразные изменения режима (бифуркации), в результате которых возникали упорядоченные структуры — в тепловом потоке гексагональные клетки Бенара, в водном — вихри. Дальнейшая эволюция упорядоченных структур прослеживалась на простейших формах жизни. Это были известные опыты Шпигельмана с Q фагом. Фагу сонимание того, что сущность жизни заключена в ее способности извлекать из среды (в итоге, от Солнца) негэнтропию и, таким образом, создавать свою организацию, которая отождествляется с упорядоченностью.
Однако в 1953 г. один из основоположников общей теории систем Л. Берталанфи публикует работу, в которой показывает, что многие системы обладают способностью извлекать негэнтропию из внешней среды и «сбрасывать» туда же энтропию, наработанную внутри них, и что второй закон термодинамики при этом не нарушается. Это породило множество математических и экспериментальных исследований, рассматривавших жизнь как стационарный поток вещества и энергии, текущей сквозь организм. Но жизнь приравнивалась к стационарному потоку, режим которого неизменен во времени. Описание такого потока очень удобно: с физической точки зрения он устойчив, с математической — баланс прихода и расхода энергии и массы в нем равен нулю. Единственная сложность его математического описания связана с не нулевым балансом энтропии
Теоретические разработки в этой области опирались на эксперименты двух видов. К первому относились опыты с физическими стационарными потоками, удаленными от равновесия, — тепловым и гидродинамическим. При микровоздействиях на эти потоки в них происходили скачкообразные изменения режима (бифуркации), в результате которых возникали упорядоченные структуры — в тепловом потоке гексагональные клетки Бенара, в водном — вихри. Дальнейшая эволюция упорядоченных структур прослеживалась на простейших формах жизни. Это были известные опыты Шпигельмана с Q фагом. Фагу создавались стационарные условия для размножения с отбором наиболее быстроразмножающихся форм. В итоге эволюции возник новый штамм, размножающийся гораздо быстрее исходного. Эти опыты, показавшие эволюцию неживой и живой материи как экспериментальные точки, необходимо было соединить
Опираясь на упомянутые опыты и особенно на опыты Шпигельмана, М. Эйген и вывел в математической форме критерий селекционной ценности, чем по его мнению внес в теорию Дарвина вместо тавтологии «выживание выживающего» вполне конкретное физическое понятие. Круг систем, охваченных синергетикой, оказался довольно широк и экзотичен. Как пишет М. В. Волькенштейн: «Синергетика изучает неравновесные фазовые переходы — образование звезд и галактик из первичного хаоса, образование периодической структуры перистых облаков, переход от обычного некогерентного излучения к когерентному, лазерному, возникновение временной и пространственной периодичности в знаменитой реакции
Мощный импульс в развитии физических представлений о жизни был получен и со стороны теории информации. Понятие информации, чрезвычайно широко понимаемое в гуманитарной сфере, получило в этой теории хотя и весьма обуженое, но зато четкое математическое выражение. Микровоздействие сигналов изменяет макросостояние систем связи, а также может изменять и программы автоматических устройств. Аналогично слабые сигнальные воздействия на организм могут существенно изменять его макросостояния, а иного рода слабые воздействия, в частности радиоактивной или химической природы, могут вызвать изменения в его наследственности.
Попытка осуществить привязку теории информации к физике и через ее посредство — к биологии была осуществлена Л. Бриллюэном в виде негэнтропийного принципа информации, приравнявшем статистическое выражение энтропии Больцмана выражению неопределенности К. Шеннона. Из этого выражения следовало, что полученная информация увеличивает негэнтропию организма. Эту идею довел до логического завершения Г. Ферстер, давший математическое выражение, из которого следовало, что с получением информации система упорядочивается (организуется).
В итоге движения науки к решению проблемы жизни возникла новая парадигма, основанная не только на качественной, но и на математической взаимосвязи понятий
На основе энергетических и синергетических представлений о живых организмах как о сложных открытых неравновесных самоорганизующихся системах складывается современное физическое понимание явлений жизни и ее эволюции. В известной мере можно считать, что одними из главных факторов развития живого являются энергетический и организационный, которые необходимо рассматривать во взаимном единстве. Организация живых систем является критерием прогресса их развития, а основным критерием их организации — эффективность использования энергии. Причем эволюция должна идти не только по сложности и степени организованности, но и по степени функциональности использования энергии, и эта функциональность играет более активную роль, чем структура, поскольку организация включает в себя не только структуру, но и связи между элементами и их взаимодействие.
Так как эволюция живого идет через развитие его организации, то ее можно связать с общим законом самоорганизации материи — процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Здесь проявляется биологический закон дивергенции, сравнимый с физическим смыслом дивергенции — расходимостью. Он, собственно, и определяет расходимость видов.
Многообразие состоит в том, что во всех биологических функциях всегда и везде в качестве обязательного звена выступает преобразование энергии — превращение квантов света в потенциальную химическую энергию органических молекул при фотосинтезе, превращение химической энергии в механическую работу при сокращении мышцы, образование тепла при процессах дыхания, возникновение электрических потенциалов при возбуждении нервной клетки, организация потоков движения вещества и многое другое. Разнообразие по своему существу — это гарантия устойчивого существования, отбора наиболее приспособленных организмов и нужного для развития взаимодействия с окружающей средой.
В энергетическом цикле жизни происходят сложные физические процессы взаимодействия биомакромолекул, в основе которых лежат кинетические процессы движения электронов и ионов. Живые организмы представляют собой системы с малой структурной энтропией, причем они находятся в неравновесных условиях взаимодействия с внешней окружающей средой. В изолированных объектах неживой природы устойчиво их равновесное состояние с минимумом свободной энергии и максимумом энтропии.
Объекты живой природы являются открытыми системами, в них могут возникать устойчивые неравновесные состояния, за счет которых энергия структуры живой материи превращается во внутреннюю и внешнюю работу Обмен живых организмов веществом и энергией с окружающей средой способствует росту свободной энергии и отрицательной энтропии в них, т. е. оттоку энтропии из организма, и тем самым поддерживается их неравновесное состояние. Таким образом целевое назначение взаимодействия со средой состоит в освобождении организма от положительной энтропии. Происходит, по образному выражению М. В. Волькенштейна, экспорт энтропии из живых организмов или, если исходить из всеобщего закона сохранения энергии, свободной энергии живого организма. Но, как известно, чем выше энтропия, тем больше беспорядок. Поэтому уже из энергетических представлений ясно, что живой организм должен быть структурно упорядочен, но для развития егкла новая парадигма, основанная не только на качественной, но и на математической взаимосвязи понятий
На основе энергетических и синергетических представлений о живых организмах как о сложных открытых неравновесных самоорганизующихся системах складывается современное физическое понимание явлений жизни и ее эволюции. В известной мере можно считать, что одними из главных факторов развития живого являются энергетический и организационный, которые необходимо рассматривать во взаимном единстве. Организация живых систем является критерием прогресса их развития, а основным критерием их организации — эффективность использования энергии. Причем эволюция должна идти не только по сложности и степени организованности, но и по степени функциональности использования энергии, и эта функциональность играет более активную роль, чем структура, поскольку организация включает в себя не только структуру, но и связи между элементами и их взаимодействие.
Так как эволюция живого идет через развитие его организации, то ее можно связать с общим законом самоорганизации материи — процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Здесь проявляется биологический закон дивергенции, сравнимый с физическим смыслом дивергенции — расходимостью. Он, собственно, и определяет расходимость видов.
Многообразие состоит в том, что во всех биологических функциях всегда и везде в качестве обязательного звена выступает преобразование энергии — превращение квантов света в потенциальную химическую энергию органических молекул при фотосинтезе, превращение химической энергии в механическую работу при сокращении мышцы, образование тепла при процессах дыхания, возникновение электрических потенциалов при возбуждении нервной клетки, организация потоков движения вещества и многое другое. Разнообразие по своему существу — это гарантия устойчивого существования, отбора наиболее приспособленных организмов и нужного для развития взаимодействия с окружающей средой.
В энергетическом цикле жизни происходят сложные физические процессы взаимодействия биомакромолекул, в основе которых лежат кинетические процессы движения электронов и ионов. Живые организмы представляют собой системы с малой структурной энтропией, причем они находятся в неравновесных условиях взаимодействия с внешней окружающей средой. В изолированных объектах неживой природы устойчиво их равновесное состояние с минимумом свободной энергии и максимумом энтропии.
Объекты живой природы являются открытыми системами, в них могут возникать устойчивые неравновесные состояния, за счет которых энергия структуры живой материи превращается во внутреннюю и внешнюю работу Обмен живых организмов веществом и энергией с окружающей средой способствует росту свободной энергии и отрицательной энтропии в них, т. е. оттоку энтропии из организма, и тем самым поддерживается их неравновесное состояние. Таким образом целевое назначение взаимодействия со средой состоит в освобождении организма от положительной энтропии. Происходит, по образному выражению М. В. Волькенштейна, экспорт энтропии из живых организмов или, если исходить из всеобщего закона сохранения энергии, свободной энергии живого организма. Но, как известно, чем выше энтропия, тем больше беспорядок. Поэтому уже из энергетических представлений ясно, что живой организм должен быть структурно упорядочен, но для развития его характер процессов должен быть неравновесен.
Из законов неравновесной термодинамики следует, что развитие подчиняется закону сохранения и превращения энергии в том смысле, что энергия переходит в процессах жизнедеятельности из одной формы в другую. Поэтому жизнь с точки зрения физики — это есть борьба живого с энтропией.
Высокоорганизованная живая система не только выстраивает иерархию своей структуры, но и создает и контролирует функциональные действия и процессы в ней. Упорядоченность живого организма отличается от упорядоченности объектов неживой природы, например, кристаллов, где она характеризуется минимумом свободной энергии. Там это — упорядоченность кладбища, в то время как упорядоченность структуры живого организма в процессе жизнедеятельности, есть, по выражению Б. М. Медникова, упорядоченность автомобильного конвейера, т. е. упорядоченность процесса. Это может быть и процесс обмена веществ, и самоорганизации структуры, и передачи сигналов и т. д. Живой организм — это поток, в котором непрерывно движутся энергия и
Удовлетворение в целом энергетических потребностей живых организмов осуществляется в условиях динамического равновесия, которое возникает между организмами в рамках возникающих или существующих экосистем. В каждой экосистеме имеются и автотрофы, которые переваривают в пищу вещества из неживой окружающей среды, и гетеротрофы, которые не производят необходимую им пищу и, тем самым, зависят от остальных непосредственных производителей энергии. Все элементы, из которых состоят живые организмы, многократно используются в биосфере, обеспечивая биологический круговорот веществ с участием всех образующих биосферу организмов. Поэтому биологический круговорот играет огромную роль в биосфере — он обеспечивает жизнь. Любая форма жизни неизбежно включается в этот круговорот.
Каждый вид, популяция, биогеоценоз являются лишь звеньями в этом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается синтезом и распадом веществ, при этом каждый живой организм выделяет то, что может быть использовано другими организмами. Однако энергетический обмен в биосфере отличается от круговорота веществ в ней, поскольку энергия частично рассеивается при переходе от растений к травоядным, а затем и плотоядным животным и вследствие этого требуется постоянная подпитка биосферы солнечной энергией. Таким образом, важным моментом существования биосферы и круговорота веществ в ней является получение и преобразование энергии в живых организмах.
Наличие энергетического потока является определяющим в существовании биологических структур и их динамики. Поэтому неудивительно, что в процессе эволюции появляются организмы, выработавшие сложные механизмы превращения и запасания энергии. Естественный отбор в живых организмах, существующих за счет притока энергии, отдал предпочтение организмам, у которых ткани и органы имеют более эффективный энергетический обмен и способ утилизации энергии, более совершенную регуляцию этих процессов и накопление энергии. Огромную роль здесь играют превращения, происходящие в химических связях фосфатных соединений организмов, в которых принимают участие белки и нуклеотиды.
Основным естественным внешним источником энергии, используемой для поддержания жизни является лучистая энергия Солнца. Однако биосфера улавливает лишь небольшую часть всей солнечной энергии, поступающей на Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного спектра, составляющая около 30% всей этой энергии, практически полностью задерживается озоновым слоем атмосферы. Половина достигающей Земли энергии превращается в тепло и затем рассеивается в космическое пространство. Около 20% расходуется на испарение воды с огромных пространств океанов и морей и образование облаков в атмосфере Земли, и лишь около 0,02% энергии Солнца используется биосферой.
Зеленые растения усваивают эту энергию непосредственно, поглощая молекулы хлорофилла в процессе фотосинтеза, преобразуя ее, и запасают в виде энергии химической связи различных соединений в объектах живой природы. Это основной первичный процесс усваивания энергии Солнца и от него зависит все существование биосферы. Животные, поедая растения, а хищники — травоядных животных, получают эту энергию, сжигая сахара, другие биологические накопители энергии и питательные вещества с использованием кислорода. Сама переработка пищи в организме также сопровождается выделением энергии, часть ее запасается в форме энергии химических связей и затем может быть использована для совершения работы. Жизнь возникла благодаря потокам энергии и особым веществам, преобразующим энергию в живом организме.
Самые большие изменения в биосфере Земли наступили в современный этап эволюции. Появление человека и его развитие, проявление разума в биосфере существенно изменили ситуацию на Земле, ознаменовали переход биосферы в ноосферу, которая является новым состоянием биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития жизни на Земле.
Следует особо подчеркнуть роль человека в переходе от биосферы к ноосфере, так как именно здесь проявился новый антропогенный фактор — человек стал использовать биосферу для удовлетворения своих потребностей за счет применения различных орудий труда, накопленных знаний и умений. Как отмечал Тейяр де Шарден, «отличие человека как гомонизированного индивида от животного в том, что и животное
В ноосфере так же, как и в биосфере, происходит замкнутый кругооборот веществ, все утилизируется, снова переходит в полезный продукт и используется, но при этом человек активно участвует в этом процессе. Сам человек, его производительные силы становятся частью ноосферы, непрерывно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Человек перестает быть просто потребителем, живущим только за счет биосферы, угнетающим и подавляющим ее. Он становится звеном в сложной системе «неживая природа — живая природа — человек — мышление человека». Каждый компонент этой системы может давать вклад в некое общее энергоинформационное поле и тогда ноосферу можно рассматривать не только как сумму человеческих знаний, а как физическое существование в пространстве совокупной информации продукта человеческого разума.
Но несмотря на огромный фактический материал, собранный наукой о жизни с середины XIX в., проблему физической сущности жизни нельзя назвать до конца решенной. К объективным причинам несостоятельности физической парадигмы следует отнести чрезвычайную сложность даже простейших организмов. Как известно, разнообразие веществ в клетке достигает величины порядка 105. Реакции между этими веществами происходят иногда в миллионные доли секунды. Число реакций, протекающих в клетке за одну секунду, имеет порядок. При этом в клетке сохраняется строгая пространственная и временная организация. В свою очередь, организм человека, например, состоит из триллионов клеток высоко специализированных и связанных в сложнейшие и совершенные системы. Решить проблему сложности, путем нахождения общих законов призвана общая теория систем (ОТС). Однако со времени появления новых работ в этой области в начале XX в., в этой теории не найдено глубинных общих закономерностей, и она как и тогда, зиждется на разнообразных аналогиях, лишь расширяя их круг. Безуспешные попытки выйти из этого круга породили пессимизм у многих ученых, работающих в этой области. Симптомами этого являются предложения вообще отказаться от построения содержательной теории систем (СТС) и рассматривать ОТС просто как формальную теорию или как метатеорию, или вообще как некий системный подход. Иначе подходит к этой проблеме наиболее крупный специалист в этой области Л. Берталанфи. Он сформулировал круг проблем, решение которых должно дать импульс развитию теории систем. Эти проблемы — объединение на ее основе теоретической биологии, теории информации, кибернетики, теории иерархии и термодинамики. Однако поставленная им задача остается нерешенной вот уже в течение нескольких десятилетий.
Помимо этих объективных причин существуют и причины субъективные, играющие не меньшую роль. Современные ученые в большинстве своем стали воспринимать природу через окно лабораторий и общаться с ней через посредство приборов. Это чрезвычайно увеличило глубину человеческого восприятия, позволив проникнуть в глубины макро- и микромира, однако при этом само восприятие оказалось суженным до пропускной способности прибора, специализации ученого и философа. Широта мира, свойственная натурфилософскому методу, оказалось утраченной.
По словам американского ученого У. Уивера — наука вначале столкнулась с проблемами организованной простоты (механика) и неорганизованной сложности (статистическая физика). Сейчас она стоит перед проблемой организованной сложности — проблемой физической сущности жизни. Человеческий интеллект, в работе которого участвуют миллиарды клеток, не в состоянии разобраться в устройстве и деятельности даже одной из них. Он останавливается перед стотысячным разнообразием веществ, реагирующих в миллионные доли секунды и мгновенно перестраивающихся при изменении условий, создающих в своей непостижимой сложности великолепный образец организованной системы.
В середине 20 века к исследованию огромного банка данных, собранных о жизни, стали широко и с успехом применяться ЭВМ. Это способствовало разрешению ряда частных вопросов, но незаметно поставило один общий и принципиальный. Суть этого вопроса в том, что автоматы, состоящие из совершенно других веществ и структур (радиоламп, ферритов, полупроводников, магнитных лент и т. д.) выполняют успешнее людей арифметические и логические операции. Но ведь эта область считалась одним из высших проявлений жизни, одним из главных преимуществ психики человека над психикой животных. Подобные возможности ЭВМ, а также успешное развитие робототехники наводит на мысль, что в биологических открытиях смешаны частные «конструктивные» решения жизненных проявлений с принципиальными свойствами жизни. Об этом, в частности, еще
Отсюда следует естественное предположение, что земная форма жизни вообще является лишь реализацией идеи жизни на конкретном земном материале и в конкретных условиях. Не случайно тогда многие ученые и фантасты Д. Уолд, С. Лем, И. Ефремов предполагали возможность реализации жизни на основе кремнийорганики, соединений серы, аммиака и т. д., а Д. Бернал считал, что истинная биология должна быть наукой о всех формах жизни в Метагалактике. Но чтобы эти предложения получили теоретическое обоснование, необходимо выявить, что есть идея жизни. Идея эта, очевидно, должна быть выражена в определении жизни. Но в том то и дело, что определения своего предмета, т. е. жизни в биологии нет. Учитывая неудачи прежних попыток и поэтому осторожно суммируя все имеющиеся определения, автор широко известной «Биологии» К. Вилли определяет жизнь следующим образом: «Всем живым организмам... свойственны определенные размеры и форма, обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост, размножение и приспособляемость... Неживые объекты могут обладать одним или несколькими из перечисленных свойств, но никогда не проявляют всю совокупность свойств одновременно». Нетрудно заметить, что этот список может быть дополнен, например, наследственностью и изменчивостью, в то же время растения, вирусы и многие бактерии неподвижны, а амебы не имеют формы и т. п.
Любые организмы являют собой некую особую разновидность того, что наука именует системами — связной совокупностью элементов (частей), проявляющих себя как единое целое. Исходя из этого определения, придется признать, что система у нас одна — Вселенная. Все в ней связано гравитацией, различного рода излучениями и многими взаимосвязями, которые открыты и открываются наукой. Но ум наш, различая связи различного качества, выделяет из этой всеобъемлющей системы подсистемы, которые тоже являются системами. Чисто интуитивно мы легко выделяем системы из взаимосвязанного мира. Если же нам удается осмыслить, чем одни связи отличаются от других, то тогда выделение системы может быть сделано научно, на основе такого определения. Так, мы легко отличаем по плотности нашу планету от космического пространства, по плотности и текучести ее оболочки атмосферу, гидросферу и литосферу. Легко отличим живое от неживого, но последнее мы делаем, увы, интуитивно, и лишь отчасти научно. Очевидно, это легче будет сделать тогда, когда удастся определить с научных позиций характер именно биологических связей в организмах.
Теперь перейдем к некоторым удивительным фактам, которых, впрочем, вокруг нас множество. Рассмотрим, например, изомеры, т. е. молекулы одинакового химического состава, но имеющих различное расположение различных атомов или атомных групп. Известный немецкий биофизик М. Эйген подсчитал, что изомеров только у одной молекулы ДНК кишечной палочки может
Если же мы перейдем к более крупным образованиям, то пространства для комбинаторики окажутся на каждой ступени подъема все больше и больше. Ведь из молекул одного вида, например, воды может быть построено огромное разнообразие макросистем — кристаллов — снежинок, града, все разновидности ледников, ручьев, рек, морей, океанов и облаков. Но из разных элементов может быть построено еще большее разнообразие систем. В реальности же этого не наблюдается. Скажем, минералы, образующие подпочвенный слой земли, состоят в основном из молекул окиси кремния, воды и окиси алюминия. Но разнообразие их опять же абсолютно мизерно по сравнению с теоретически возможным. То же наблюдается и в отношении пород, образованных из минералов, слоев планеты, возможного и реального разнообразия животных и растений, хотя однотипных систем каждого класса множество. Уже на уровне молекул использование возможного разнообразия в реальности ничтожно. Так, разнообразие неорганических молекул составляет на земле величину порядка 105, органических — в разнообразных видах живого — порядка 106, всех, включая вещества, синтезированные искусственно, порядка 107.
Может быть, в сущности жизни
Все это говорит о возможности того, что и органическая жизнь, и компьютеры, и их вирусы, заключают в себе идею жизни, которая может быть реализована на разных веществах и на основе различных конструктивных решений.
Современные поиски сущности жизни сводятся, как правило, к попыткам втиснуть известные проявления ее органической формы в прокрустово ложе современной физической парадигмы. Это, как отмечал еще Э. С. Бауэр, приводит к игнорированию ее специфических законов и, естественно, обрекает эти попытки на бесплодие. Может быть, подход к решению этой проблемы кроется за представлением, что на неограниченность комбинаторных возможностей разнообразия систем, допускаемая законами физики, химии и биологии должно быть наложено жесткое ограничение?
Такие же жесткие ограничения наложены на разнообразие атомов, минералов, пород, слоев, ландшафтов, организмов и т. п. Это связано с требованием соответствия эволюционному принципу микрокосма для возможности, как возникновения, так и существования реальных систем. Это означает, что на каждое силовое воздействие Космоса система должна отвечать либо противодействием, если оно разрушающее (например, испаряющее воздействие Солнца на камень), или использовать его, если оно способствует существованию системы (то же излучение Солнца, используемое растениями для фотосинтеза), что объединяет все существующие системы и является их общим свойством. Этот вывод позволяет выявить критерий для классификации всего многообразия существующих систем в виде способа, которым системы обеспечивают свое существование. Таких способов известно в физике два — устойчивый, стабильный (пример камень) и неустойчивый, лабильный (пример поток).
Даже обыкновенный камень заключает в себе эволюционную историю Космоса. Входящие в него элементы более тяжелые, чем водород и гелий, свидетельствуют о том, что его материя прошла через звездные катастрофы, геолог — прочтет в его структуре и химическом составе историю нашей планеты и т. п. В настоящее время мы не можем учесть всех воздействий ближнего и дальнего Космоса, которые отражает микрокосмос камня. Но и то, что мы знаем, говорит о совершенно уникальных его свойствах. Он противостоит и испаряющему действию Солнца, и стремящейся раздавить его силе земного тяготения, растворяющему действию воды и химическому воздействию веществ в воздухе, воде и почве. Более того, сцепление молекул в нем столь уникально организовано, что при умеренных усилиях сжатия или растяжения в нем возникают силы, равные по величине и обратные по направлению силам, на него воздействующим. Теперь уже очевидно, почему из огромного теоретически возможного числа минералов в условиях Земли лишь немногие смогли стать реальным микрокосмосом — простыми камнями.
Так в чем же
Энергетическому, т. е. обладать структурами, сохраняющими, в пределе без рассеяния, энергию высокого потенциала, необходимую для совершения работы по сохранению организма. Это требование удовлетворяется широко распространенными в природе метастабильными состояниями, в которых энергия высокого потенциала защищена от выравнивания потенциальным барьером. Именно потенциальным барьерам обязано своим существованием все разнообразие устойчивых изотопов таблицы Менделеева и разнообразие мира в целом. Иначе бы все элементы таблицы скатились бы к железу за счет синтеза легких (взрыв водородной бомбы) и распада тяжелых (взрыв атомной) элементов. Такому «скатыванию» мешают потенциальные барьеры в виде необходимых для этого температур во многие миллионы градусов.
Информационному, т. е. обладать структурами, регулирующими процесс освобождения этой энергии в ответ на сигнал — слабый, но специфический энергетический импульс. Этому условию отвечают органические и минеральные катализаторы, которые могут быть введены или, наоборот, выведены из контакта с веществом за счет слабого воздействия, например, механического, или их активации за счет добавки к ферменту кофермента.
Преобразовательному, т. е. обладать структурами, преобразующими выделившуюся энергию высокого потенциала в работу по сохранению организма. Например, это может быть молекула фермента, так как она выполняет не только каталитическую функцию, но и, иногда, вместе с мембраной определяет направление реакции. Свойство преобразования энергии при взаимодействии с ней присуще всем материальным объектам.
Элементарная структура — сигнальный элемент или сокращенно сиэл позволяет перевести целый ряд гуманитарных понятий на точные научные определения, позволяющие приложить математический аппарат теории информации и кибернетики к исследованию феномена жизни на разных ее уровнях.
Информация. В теории информации за единицу информации принимается воздействие, обуславливающее единичный выбор. Очевидно, такой единицей явится сигнал, инициирующий осуществление подобной операции. Сигнал всегда специфичен относительно сиэла, входящего в состав организма или автомата. Существует плодотворно работающая математическая теория связи, более известная как теория информации. Однако, она эффективна там, где уже при проектировании систем заранее устанавливают, что явится сигналом (информацией). Но общего пригодного для любых организованных систем понятия нет, что не дает возможность применить мощный аппарат этой теории для исследования феномена жизни. Данный подход позволяет применить эту теорию, если, например, известна структура биохимической реакции. Соответственно, понимание отличия сигнальной обратной связи от не сигнальной (типа, например, действие равно противодействию), позволяет устранить смешение понятий информации и сигнальной обратной связи, лежащих в основе кибернетики от их чисто физических аналогов. Например, когда в облаке кристаллизуются снежинки, то сила тяжести отбирает те, которые стали достаточно крупными и они выпадают из облака. Но, конечно этот отбор никакого отношения к информации не имеет.
На сиэле могут быть определены операционально элементарные единицы и других фундаментальных понятий.
Знание. Сиэл «знает», на какой сигнал и как реагировать.
Смысл. В структуре сиэла заключен и смысл реакции.
Огромное множество элементарных знаний и смыслов и обуславливают удивительные способности организмов и автоматов.
Управление. Сиэл являет собой элементарную структуру управления, в которой малая энергия информации управляет существенно более мощными энергетическими потоками.
Также могут быть определены:
Программа. Программа — структура, способная под воздействием энергетического потока порождать сигналы (информацию) для данного организма или автомата. Так текст представляет собой программу, способную произвести сигналы под воздействием светового потока. Программа, как и сигнал (информация) является понятием относительным. Многие программы, под воздействием информации, способны делать выбор из имеющихся у них программ более низкого иерархического уровня для ввода их в действие или изменять имеющиеся в них программы и даже порождать новые под влиянием сигналов.
Организация. Организованными называются системы, существование которых обеспечивается, в частности, за счет содержащихся в них сигнальных элементов, т. е. организмы, автоматы и их совокупности.
Но система, состоящая из сиэлов, сколь сложна она бы ни была, еще не считается живой, если она не проявляет активности. Недаром не смолкают споры о вирусах как о промежуточной форме между живым и неживым. В отсутствии живых клеток, на которых вирус паразитирует, он ведет себя как инертное вещество. Он может даже существовать в кристаллической форме. Лишь оказавшись в контакте с клеткой, вирус проявляет «живые» свойства. Поэтому бесспорно живыми считаются те организмы, которые обладают не только сигнальными свойствами, но активностью, реализуемой также сигнальными путями.
Жизнь же представляет собой неразрывную во времени разветвленную цепь, где каждый организм — звено цепи непрерывного эволюционного процесса, отражающего как микрокосмос эволюцию Космоса. Не случайно же в процессе эмбрионального развития эмбрион организма повторяет путь эмбрионов своих эволюционных предшественников, условия для возникновения и существования которых уже давно прошли. Для этого ему необходимо искать пищу, расти и размножаться, т. е. организм сам должен проявлять активность. И эта активность инициируется и направляется внутренними программами организма. Впоследствии, по мере усложнения поведения в целях сохранения вида, активность приобретает разнообразные формы — вплоть до непосредственно не нужной для существования данной особи. Такова, например, человеческая любознательность, необходимая для того, чтобы возникли новые пути в науке, искусстве, философии и религии. Отсюда следует, что жизнь можно определить как активную сигнальную форму существования систем. Таким образом, сигнальность и есть тот особенный и в то же время необходимый признак жизни, который отличает живые системы от систем существующих только за счет лабильности и стабильности, а активность — достаточный признак ее, которым не обладают вирусы, являющие собой переходную форму от неживого к живому.
По мере повышения уровня организации вида возрастает надежность достижения организмом все более и более отдаленных целей. Так, например, человек благодаря наличию ощущений, чувств и мыслей, т. е. психики (от греческого психе — душа), способен вспоминать прошлое и анализировать настоящее. Но делается это главным образом, чтобы наметить цели в будущем и пути их достижения. План же Духа общается с людьми, предсказывая события вплоть до самых отдаленных во времени.
Таким образом, оказывается, что материальный план жизни и ее программы является проекцией плана Духа и Его программ через план души на материю. Именно это обстоятельство являет собой пересечение всех планов бытия. И понимание этого является еще одним теоретическим обоснованием необходимости создания синтетического
Такое понимание сущности жизни помогает понять, почему «машина мыслит», позволяет по новому подойти к проблемам познания человеком мира, проблеме биологической эволюции, проблеме времени, показать неоправданность надежд, связанных с синергетикой и найти новые подходы к тем проблемам, на решение которых она претендует и т. д.
Вопросы для дискуссии:
В. В. Горбачев:
• Какие физические модели и представления могут быть использованы для понимания феномена жизни.
• Физическое понимание эволюции. Физическая эволюция Л. Больцмана и биологическая эволюция Ч. Дарвина.
• Общие проблемы физики живого.
• Термодинамические особенности живых систем. Энергетический подход к описанию живого.
• Роль энтропии и информации для живых организмов.
• Неустойчивость как фактор развития.
• Уровни организации живого и системный подход к эволюции живого.
• Пространство и время для живых организмов. Биологическое и психологическое время и их связь с ритмами природы. Связь пространства и энергии для живого.
• Антропный принцип в физике живого.
• Роль асимметрии в возникновении живого. Проблемы
• Гомохиральность и самоорганизация в живых организмах.
• Информационные молекулы наследственности. Матричный способ передачи информации. Гены и квантовый мир.
• Физическое представление аксиом биологии.
• Роль порядка и хаоса в живом. Роль «золотого сечения» и гармонии.
М. И. Штеренберг:
• Что такое жизнь с точки зрения физики?
• Чем не является жизнь с точки зрения физики?
• Сущность объективных и субъективных причин несостоятельности современных представлений о физической сущности жизни.
• Что такое жизнь с точки зрения биологии?
• Критический анализ определений жизни.
• Возможность определения жизни на современном уровне развития науки.
• В чем принципиальное отличие подхода М. Штенберга от подхода, принятого в современных представлениях о физической сущности жизни?
• Почему в определение жизни Штернберга не включена способность к размножению — свойство, которое включено в определения практически всех других авторов?
• Имеет ли подход Штернберга к проблеме жизни нечто общее с синергетическим?
• В чем необходимость синтеза научного и мистического способов познания?
Библиография
Горбачев В. В. Феномен проблемы целого и части в рамках синергетической картины мира//Физика и механика на пороге
Горбачев В. В. Физика живого/Горбачев В. В. Концепции современного естествознания. М., 2001. Т. 2.
Горбачев В. В. Этика и принцип дополнительности в современном естествознании/Этика и наука будущего: Материалы Междисциплинарной научной конференции. М., 2001.
Горбачев В. В. Проблемы современного естествознания//Вестник РАЕН. 2002. Т. 2. № 1.
Горбачев В. В. Термодинамические особенности живых систем. Энергетический подход к описанию живого//Современные проблемы физики и механики. М., 2001. Вып.4.
Горбачев В. В. Физиологическое и психологическое время в живых системах. Энтропия и информация живых систем//Современные проблемы физики и механики. М., 2002. Вып.5.
Горбачев В. В. Энергетические аспекты эволюции биосферы в ноосферу и синергетическое понимание экологии/Этика и наука будущего на пути к
Штеренберг М. И. Огромный мир в зерне песка. Жизнь: физические и иные планы//Философские исследования. 1995. № 3.
Штеренберг М. И. Критический анализ современной парадигмы о физической сущности жизни//Философские исследования. 1995. № 4.
Штеренберг М. И. Проблема Берталанфи и определение жизни//Вопросы философии. 1996. № 2.
Штеренберг М. И. Термодинамика и биология//Философские исследования. 1996. № 3.
Штеренберг М. И. Синергетика и биология//Вопросы философии. 1999. № 2.
Штеренберг М. И. Синергетика: надежды и реальность//Полигнозис. 2000. № 4.
Штеренберг М. И. Жизнь и время: Формирование новой парадигмы. Современная картина мира. М., 2001. Вып. П.
Shterenberg M. I. The essence of life: the level of the physical of the system and the mystic//Automatic documentation and mathematical linguistics. 1999. V. 33. № 3.
Тема № 84
Эфир 14.03.2002
Хронометраж 1:16:00
www.ntv.ru