Горбачев В.В. Концепция современного естествознания
Подождите немного. Документ загружается.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
151
Происходит, по выражению М. В. Волькенштейна, «экспорт энтропии» из живых
организмов, или, если исходить из всеобщего закона сохранения энергии, увеличение
свободной энергии живого организма. Поэтому из энергетических представлений ясно,
что живой организм должен быть структурно упорядочен, но характер процессов в нем
должен быть неравновесен, не стационарен на микроуровне (заметим, что на
макроуровне условием сохранения жизни в целом должна быть стабильность,
стационарность). Для сохранения же стационарного неустойчивого состояния живой
организм непрерывно потребляет энергию извне.
Такая ситуация полностью аналогична поведению диссипативной структуры.
Согласно Пригожину диссипативные структуры — это новые стационарные состояния,
стабилизирующиеся в результате обмена веществом и энергией открытых систем с
окружающей средой при необратимых процессах вдали от равновесия в нелинейной
области, когда параметры системы превышают критические значения. Как остроумно
заметил Г.Н. Алексеев [2], на гигантской «фабрике» природных, производственных и
других реальных процессов закон изменения энтропии (второе начало термодинамики)
играет роль директора, а закон сохранения энергии (первое начало термодинамики) —
роль бухгалтера.
Мы уже неоднократно подчеркивали, что энтропия, связанная с равномерным
распределением вероятности состояний, максимальна в хаосе, и, следовательно, нет
развития системы, т.е. ее эволюции (не забываем, правда, из синергетики следует, что в
диссипативных системах из хаоса может возникнуть порядок). Как отмечал Ф. Ауэрбах,
принцип изменения — это принцип поведения энтропии: «Принцип сохранения энергии
имеет то единственное значение, что ничто не может совершаться вопреки его
требованиям, но это не значит, что что-нибудь действительно истекает из него, по
его инициативе. Он является надсмотрщиком, но не предпринимателем. Он имеет
распределительный, но не производственный характер». Энтропия, по Ауэрбаху (сейчас
мы говорим — свободная энергия), приводит к возникновению жизни. Эти процессы
существуют, потому что существует жизнь и ее развитие. Из первого закона
термодинамики следует, что развитие, эволюция, подчиняется закону сохранения и
превращения энергии в том смысле, что энергия переходит в процессах
жизнедеятельности из одной формы в другую.
И жизнь с точки зрения физики — это есть «борьба» живого с энтропией. Конечно,
надо осторожно относиться к прямому
250
применению понятий термодинамики к развитию живой природы. Тем не менее это
разумный и следующий шаг по отношению к описательному биологическому пониманию
эволюции. С точки зрения целостного восприятия мира и его объяснения в современном
естествознании незнание второго начала термодинамики, по меткому выражению Ч.
Сноу (1905—1980) — физика и писателя, равносильно незнанию произведений В.
Шекспира [129].
Такие идеи высказываются не только физиками, но и биологами. Так, еще в 1935 г. Э.
Бауэр [1, 158] предложил механизм биологической эволюции, основанный на
представлении, что живые системы никогда не бывают в равновесии и выполняют за счет
свободной энергии постоянную работу против равновесия, т.е. по существу до появления
синергетики он рассматривал живой организм как открытую неравновесную систему.
Неравновесное состояние живой материи и ее сохраняющаяся работоспособность
обеспечиваются ее молекулярной структурой, причем эта работоспособность
обусловлена свободной энергией, присущей данной молекулярной структуре. По мнению
отечественного биохимика В. А. Энгельгардта (1891—1984), образование сложных
биологических структур происходит с уменьшением энтропии и увеличением свободной
энергии [157]. Это физическое требование выступает как ведущий фактор
структуризации живых систем на молекулярном уровне.
11.2.1. Устойчивое неравновесие
Э. Бауэр ввел для живого организма также понятие устойчивого термодинамического
неравновесия, которое проявляется при наличии трех условий:
• само наличие свободной энергии, проявляющееся («разряжающееся», по Бауэру) безо
всякого внешнего воздействия, т.е. свойства спонтанной деятельности организма;
• реакция на внешние воздействия, выравнивающая градиент энергии и
восстанавливающая его первоначальное значение (в биологическом понимании — это
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
152
свойства раздражимости и возбудимости);
• накопление свободной энергии путем работы против факторов, ведущих к
равновесию, что в биологии означает свойства целесообразного поведения и
приспособительной деятельности.
251
Что с точки зрения физики означает целесообразное поведение (на языке философии
— целевая функция) системы? Ответ на этот вопрос пока не является однозначным. С
одной стороны, это выполнение системой основных физических законов, и прежде всего
законов сохранения, условий состояния устойчивости и стабильности системы. С другой
стороны, сущность целеполагания должна включать в себя формирование механизмов
самосохранения (адаптации) путем реализации положительных и отрицательных
обратных связей между системой и окружающей средой. Содержанием целеполагания
являются информационные процессы. С общебиологической точки зрения для человека
— это устойчивое стабильное состояние, существование его как вида, т.е. сохранение
человеческой жизни на Земле.
Такие представления «вписывались» в физический менталитет классической физики
— постоянство физических сущностей. Здоровый консерватизм физики не давал физикам
воспринимать саму идею развития. С другой стороны, без развития система перестает
существовать. Налицо философский постулат единства и борьбы противоположностей.
Как мы уже видели, синергетический подход позволяет снять этот парадокс через
развитие сложных систем, через неустойчивости, которые могут быть и стационарными,
устойчивыми («устойчивое неравновесие», по Бауэру). В этом смысле устойчивость
живой системы и состоит в ее развитии, но это развитие определяется возникающими
неустойчивостями. Заметим, что вдали от равновесия вещество становится более
активным. По образному выражению И. Р. Пригожина [23], оно обретает новые свойства:
в равновесии оно «слепо», в сильно неравновесных процессах — «прозревает».
Биологические законы эволюции Ч. Дарвина (изменчивость, наследственность,
естественный отбор) и даже более общие принципы развития Универсума по этой триаде
также могут быть наполнены физическим смыслом. Изменчивость (в физике —
стохастичность) создает поле возможностей, путей развития той или иной системы,
наследственность ограничивает это поле, а отбор реализующейся формы развития
определяется некоторыми правилами или принципами. Принципы отбора — это те
законы (физики, биологии, общественного развития), которые из допустимых движений
развития с некоторой вероятностью отбирают при самоорганизации системы те, которые
мы наблюдаем в реальности.
В классической динамике реальные движения отбираются из множества виртуальных
с помощью известных законов Ньютона,
252
которые и являются простейшими принципами отбора для механики Ньютона —
Галилея. К этим же правилам отбора относятся и те следствия человеческого опыта и
поведения, на которые человек неосознанно опирается в своей практической
деятельности, принимая то или иное решение. Тогда в целом для Универсума как
самоорганизующейся системы стимулы и границы определяются понятиями, доступными
для научного изучения. А физические законы сохранения — это законы сохранения
количества движения, энергии и момента количества движения.
Поэтому синергетика обогащает и физику возникающего, и биологию своими
представлениями. Например, наследственность можно представить как память системы.
Нелинейное развитие случайных процессов через бифуркации приводит к
одномоментной потере устойчивости, созданию принципиальной неопределенности,
неустойчивости, когда пути эволюции в точках бифуркации становятся
непредсказуемыми, и поскольку на систему действуют случайные факторы, память
системы теряется. Механизмы же развития системы между бифуркациями могут быть
определены, и в этом смысле теория самоорганизации выступает как универсальный
эволюционизм. В целом же эволюцию обеспечивают нелинейные процессы.
11.3. Уровни организации живых систем и системный подход к
эволюции живого
Недостаточное знание — опасная вещь. Пей вволю из eго источника или
вовсе к нему не подходи. Выпьешь мало — опьянеешь. Выпьешь много —
отрезвеешь.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
153
А. Поуп
Мы находимся в положении, несколько аналогичном положению человека,
держащего связку ключей и пытающегося открыть одну за другой несколько
дверей. Рано или поздно ему удается подобрать ключ к очередной двери, но
сомнения относительно взаимно однозначного соответствия между ключами и
дверями у него остаются.
Ю. Вигнер
11.3.1. Иерархия уровней организации живого
Представления о неравновесности живого организма развил биолог фон Берталанфи,
введя термин «открытые системы», ныне широко используемый в синергетике. Он
рассматривал ста-
253
ционарные состояния в неравновесной живой системе, которые, определил как
«текущее равновесие». На основе обобщения физических, в частности
термодинамических, представлений он разработал свою теорию биологических
организмов, рассматривая организм как целостную сложную иерархическую систему.
По существу в применении к биологии он предложил и использовал метод системного
анализа, активно применяемый сейчас в науке и технике. В частности, им высказана идея,
что системная организация — основа точной биологии. А как метко сказал Н. В.
Тимофеев-Ресовский, системный анализ — «это когда сначала думают, а потом
делают». Организм — пространственное целое, проявляющееся во взаимодействии
частей и частных процессов. Процессы в живом организме обусловливаются целостной
пространственной системой, подчиненной жесткой иерархии.
Концепция структурных уровней позволяет не только описать живые организмы по
уровням их сложности и закономерностям функционирования, но и расположить в
иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в
последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней
организации хорошо сочетается с целостностью организма. Критерием выделения
основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные
биологические взаимодействия.
Различают следующие уровни организации биологических структур:
самоорганизующиеся комплексы, биомакромолекулы, клетки, многоклеточные организмы
Н. В. Тимофеев-Ресовский приводит другую классификацию уровней: клеточный,
молекулярно-генетический, организменный, популяционно-видовой и биогеоценозный
[136]. Существует и такая градация: молекулярный, клеточный, тканевой, органный,
онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический и биосферный На
каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления.
Элементарная единица — это структура, закономерное изменение которой приводит к
элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне
является ген, на клеточном — клетка, на организменном — особь, на популяционном —
совокупность особей одного вида — популяция. Совокупность элементарных единиц и
явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса.
254
Эти уровни организации будут подробно рассмотрены в соответствующих разделах, а
здесь отметим их аналогию с физической шкалой размеров и масс (см. рис. 6.8 и 6.9),
дискретностью энергетических уровней в квантовой механике.
Переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно, дискретно, в
соответствии с основными принципами квантовой механики, и такие переходы в физике
представляют собой неравновесные фазовые переходы, которым в синергетике
соответствуют бифуркации. Механизм перехода в понятиях синергетики реализуется
через хаотические состояния, и через него реализуется связь разных уровней
организации. В точках бифуркации малое случайное изменение может привести к
сильному возмущению системы, и возникает фазовый переход. В таком представлении
гибель живого организма можно рассматривать как фазовый переход «жизнь — не
жизнь».
Понятия о целом и части, используемые не только в системном анализе, но и в
философии, можно применять к физике живого, поскольку живым организмам присущи
гармоническая иерархичность и целевая функция
1
. Действительно, рассматривая любые
явления и свойства живой и неживой природы, мы обязательно касаемся проблемы
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
154
целого и части — все наблюдаемые объекты являются частями более общего понятия
целого и, в свою очередь, состоят из каких-то частей. Эти представления применимы к
эволюции любой сложной неравновесной системы с нелинейной динамикой ее развития в
процессах самоорганизации. Гармонизация этих процессов в живых организмах и шире
— во всей природе находит свое отражение в понятиях «ян» и «инь» восточной
философии и в идее «золотого сечения».
11.3.2. Метод Фибоначчи как фактор гармонической
самоорганизации
Математическим обоснованием гармонического соотношения частей организма, его
соразмерности, порядку и необходимому организму хаосу, обусловленности
пространственно-временного и функционального взаимодействия органов (например,
человека и процессов в его организме) является метод Фибоначчи (см. § 7.14.) На основе
большого количества эмпирических обобщений было установлено, что числа ряда
Фибоначчи нужно сопоставить с параметрами жизненных процессов. Оказалось,
1
См. сноску на с. 207.
255
что они отражают не только изменение и устойчивость живого организма, но и
энергетический баланс, определяющий его развитие.
Различие в процессах самоорганизации в неживых и живых системах, как отмечали И.
Пригожин и И. Стенгерс [111], заключается в том, что молекулы неорганического мира,
участвующие в сложных химических реакциях, просты, а в биологической
самоорганизации, наоборот, реакции просты, а молекулы укрупняются, усложняются и
становятся макромолекулами. Это обусловлено тем, что структура реакций переходит в
структуру элементов — молекул, т.е. процесс закрепляется в структуре.
Взаимоотношение между структурой и процессами отражает известный закон единства и
борьбы противоположностей, закон единства сохранения и изменения сущности, который
составляет суть развития самоорганизующихся систем. И здесь третий член золотой
пропорции Фибоначчи снимает противоречие между сохранением (устойчивостью) и
изменением через развитие, которое включает и то и другое — состояние и процесс.
Многие физиологические процессы в организме человека, гармонизируются по
«золотому сечению» (методу Фибоначчи), Так, биолог В. Д. Цветков из Пущинского
биологического центра установил, что оптимизация артериального давления и ритмов
сердечно—сосудистой системы происходит по соотношению, «золотого сечения».
Ряд Фибоначчи становится системообразующим фактором гармонической
самоорганизации живого организма. В этом смысле эволюция — не просто адаптация
организма к внешним условиям, а его стремление к гармонии, соразмерности развития
всего организма как целого и функционирования его внутренних органов как частей.
Структурно-функциональная организация человеческого тела и его организма в процессе
эволюции отражает эту гармонию по методу Фибоначчи и в опыте человечества.
Рекурсивный
1
характер этого гармоничного ряда в применении к живым организмам
позволяет учитывать память о предыдущих поколениях.
С гармонией развития организма, как целого, так и его частей, хорошо согласуется
универсальный для всего современного естествознания принцип дополнительности Бора.
Применительно к рассматриваемой проблеме он отвергает возможность
1
Рекурсивный, т.е. возвратный: каждое последующее число ряда Фибоначчи
является суммой двух предыдущих.
256
понимать жизнь и ее эволюцию путем вычленения и исследования отдельных частей
организма: определяя более точно одну сторону живого объекта, мы теряем
определенность в понимании другой.
Согласно этому же принципу, можно высказать и парадоксальную мысль: познание
жизни и сама жизнь несовместимы! Например, при хромосомном анализе определения
дозы радиации, полученной человеком давно (так называемой реконструированной
дозы), лазерный луч убивает усики хромосом, тем самым убивает саму хромосому.
Относительно живого организма как целостной системы В.А. Энгельгардт [157] выделял
три признака, характеризующих взаимоотношения между целым и частями:
— возникновение в системе взаимодействующих связей между целым и частями;
— утрата некоторых свойств частей при вхождении их в состав целого;
— появление у возникающего целого новых свойств, определяемых свойствами
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
155
основных частей и возникновением новых связей между частями.
11.3.3. Физический и биологический методы изучения природы
живого
Природу живого изучают многие науки, в том числе биология и физика (на «стыке»
этих наук и возникла биофизика). Именно при исследовании живых систем или при
использовании живых объектов и систем в экспериментах выяснились многие
закономерности, которые стали достоянием и предметом изучения точных наук. Так,
работы итальянского физика Гальвани (1737— 1798) по исследованию свойств мышцы
послужили основанием более детального изучения электричества, и его именем был
назван ряд явлений. Английский химик Д. Пристли (1733—1804) из экспериментов на
живых организмах расширил сведения об открытом им кислороде. Французский химик
А. Лавуазье (1743—1794) исследовал процессы дыхания и горения, внеся тем самым
вклад и в химию, и в биологию. Один из основных законов природы — первое начало
термодинамики — был сформулирован немецким врачом Ю. Майером (1814—1878).
Врач-офтальмолог Г. Гельмгольц (1821—1894) много сделал для развития физической
оптики. Известно достаточно много примеров того, что можно развивать смежную науку,
будучи специалистом в другой области.
257
Так, Коперник, Лавуазье, Ферма и итальянец А. Авогадро (1776—1856) были
юристами, англичанин Д. Джоуль (1818—
1889) по основной для жизни профессии был пивоваром, а француз А. Ампер (1775—
1836) и Фарадей не получили систематического образования, т.е. по современным
понятиям были дилетантами. Природа сама по себе не знает деления на физические и
биологические науки, она ведь целостна, едина, а это разделение делает изучающий ее
человек. Тем не менее именно физика вносит в биологию приемы мышления, анализа и
обобщения, свойственные представителям точных наук. Доказательством этого, по
мнению В.А. Энгельгардта, является тот факт, что среди большинства ученых,
получивших Нобелевские премии за исследования в области биологии и медицины, нет
или почти нет собственно биологов, а есть физики, химики, кристаллографы и
представители других точных наук. Это несомненно показывает, насколько сейчас
биология действительно является областью науки, разрабатываемой специалистами
именно точных дисциплин.
Различие логических подходов в физике и биологии затрудняет взаимодействие между
этими науками и создание достаточно обоснованной физической теории биологических
явлений. Для биологии очевиден вопрос «для чего?», т. е. формулировки
рассматриваемых закономерностей носят финалистический характер. Физика спрашивает
«почему?», «вследствие чего?», т.е. формулирует физические законы как казуальные.
Понятно, что истинный научный смысл представляет именно последний подход. Физика
и естествознание в целом казуальны — наука ищет причины (causa) явлений.
Однако эти разные методологические подходы могут быть объединены, поскольку в
действительности нет принципиального противоречия между финализмом и
казуальностью, и, следовательно, такое различие в подходах в биологии и физике
является чисто внешним, а не глубинным. Любая физическая закономерность может быть
выражена, как мы уже указывали, через принцип оптимальности, или вариационный
принцип. Сама идея вариационного принципа, как известно, состоит в отыскании
экстремума или оптимума, т.е. носит четко выраженный финалистический характер
(принципы П. Мопертью в механике, Ферма — в оптике, Ле Шателье (1850—1936) — в
термодинамике и в целом в современном естествознании, правило Э. Ленца (1804—1865)
— в электротехнике и ряд других).
258
Поэтому физические законы и обобщения на их основе в естествознании можно
формулировать как казуально, так и финалистически. Вариационный финализм сводится
к казуальности. Отметим здесь еще раз глубокую роль в познании природы оптимальных
принципов, которую хорошо понимали жившие до нас естествоиспытатели. «Кто хочет
познать наибольшие тайны природы, пусть рассматривает и наблюдает минимумы и
максимумы противоречий и противоположностей», — говорил Дж. Бруно. Немецкий
философ Гегель (1770—1831) отмечал, что «именно в этих крайностях вещи
умопостигаемы и объединяются в понятия».
Остановимся еще на одном различии биологического и физического методов познания
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
156
природы. Биология как наука о строении и функциях живых организмов устанавливает
общие и частные закономерности, присущие живой природе во всех ее проявлениях и
особенностях. Несмотря на сохранившийся до появления молекулярной биологии и
генетики описательный характер изучения живого, биология в целом с
материалистических, естественно-научных позиций объясняет эволюцию мира живой
природы и место в ней человека. В то же время классической физике была чужда идея
эволюции. Она действительно пыталась согласно своим представлениям ответить на
вопросы, «почему» и «как» устроен реальный физический мир, но не могла объяснить,
почему именно так, а не иначе. Это идет от классической ньютоновской посылки:
«...причину же этих свойств силы тяжести я до сих пор не мог вывести из явлений,
гипотез же я не измышляю ... Довольно того, что тяготение на самом деле существует
и действует согласно изложенным нами законом и вполне достаточно для объяснения
всех небесных тел и моря». Хотя количественные законы движения, изменения
положений реальных объектов в определенных условиях классическая механика
прекрасно описывает. Но сейчас мы понимаем, что этого мало, и привлекаем в
постнеклассической физике уже рассмотренный антропный принцип (АП).
11.3.4. Антропный принцип в физике живого
Антропный принцип, по мнению многих космологов, является единственной
систематической попыткой научно объяснить кажущуюся таинственной структуру
физического мира. Этот принцип вводит в физику некие новые ощущения, не
свойственные ей как классической науке, например, роль человека как
259
наблюдателя, соучастника эксперимента становится неустранимой, становится уже
фундаментальным представлением.
Более того, этот принцип затрагивает понятие целеполагания, целевую функцию
процесса эволюции. В телеологическом смысле из АП вытекает, что «подгонка»
фундаментальных физических констант, благоприятная для нашего человеческого
возникновения и существования, обусловлена тем, что именно человек выступает целью
происходящих в природе эволюционных процессов. Такая интерпретация АП в эволюции
живого хорошо воспринимается в биологии, поскольку в ней идея развития — главная,
она распространяется на основные законы живой природы. И эти биологические
закономерности возникают вместе со становлением самой жизни.
В то же время классическая физика, начиная с Ньютона, не ставила перед собой
проблемы объяснения действующих во Вселенной физических законов. Наоборот
фундаментальный принцип любого физического исследования — объективная
воспроизводимость эксперимента — основан, по существу, на неизменности физических
законов: в различные моменты времени законы природы действуют одинаково.
Получается, как отмечает B.C. Степин [23], что во времени нет выделенных точек, в
которых бы менялся характер изучаемых физикой законов. Хотя даже простая логика
подсказывает, что может быть как раз несоответствие существующих законов,
применяемых к объяснению неизвестных, непознанных физикой явлений, и
свидетельствует, что в этом изменяющемся мире должны изменяться и законы физики.
На самом деле мы в этом неоднократно убеждались: в квантовом мире и Космосе
требуются свои представления о движении — свои «механики». Но в целом здесь
очередной парадокс между биологическими и физическими подходами к изучению
единой природы и необходимость правильного истолкования АП. Мы же не можем
применить к настоящей науке богословский аргумент Божьего замысла. Как и со
«стрелой времени», этот парадокс в настоящее время преодолевается путем
использования синергетического понимания эволюции неравновесных
самоорганизующихся открытых систем, формирования, по И. Р. Пригожину, физики
возникающего. Понимание физики возникающего на основе современных представлений
теории самоорганизации и может стать физикой живого.
260
Сейчас можно считать общепринятым положение, что живые организмы являются
открытыми неравновесными системами, и, естественно, поэтому хочется применить к
ним те же физические законы, которые используются для объяснения физико-химических
процессов в объектах неживой природы и даже управления ими. В этом направлении на
базе синергетики были получены некоторые конкретные результаты, однако построить
окончательную физическую модель живого не удалось, хотя такое желание, конечно,
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
157
есть. Синергетический подход пока очень хорошо вписывается в холистическое
восприятие и объяснение мира и позволяет в какой-то мере с общих позиций описывать и
живую, и неживую природу и говорить об их единстве. Антропный принцип может быть
использован как универсальный инструмент в исследовании сложных систем любой
природы. Он оказывается принципом существования сложного в нашем мире: чтобы на
макроуровне было возможно образование сложных систем, элементарные процессы на
микроуровне должны проходить очень избирательно, т.е. в соответствии с «подгонкой»
фундаментальных констант (см. гл. 6) по антропному принципу, в том числе и констант
— параметров, определяющих жизнедеятельность организма.
Пределы изменения этих параметров очень узки (вспомним, например, диапазон
температур, давлений и других условий, в которых может существовать человек):
достаточно небольшого изменения, их и жизнь становится невозможной.
Используя принцип дополнительности Бора, можно считать, что нельзя судить о
содержании общих биологических закономерностей, оставаясь только в рамках чисто
биологических воззрений, тем более что биология сообщает множество интересных и
важных подробностей о человеке, упуская, тем не менее, нечто принципиальное. Нужно,
по Бору, дополнение в лице физики! Бор считал, что познание живого организма в виде
атомно-молекулярной системы принципиально дополнительно к изучению этого
организма как целостной системы и ни один результат биологического исследования не
может быть однозначно трактован, если не использовать представления физики и химии.
Именно в этом смысле следует понимать, что лишь одними законами биологии или
физики невозможно объяснить феномен живого.
261
11.3.5. Физическая эволюция Л. Больцмана и биологическая
эволюция Ч. Дарвина
Мы уже обсуждали ранее, что имелось противоречие между моделью эволюции
Больцмана для неупорядоченных, но стремящихся к равновесию изолированных систем
неживой природы и эволюцией Дарвина для высокоупорядоченных структур живого
организма. В общем смысле под эволюцией понимается процесс длительных,
постепенных, в основном медленных изменений, но которые в конце концов создают
качественно новые изменения, приводящие к образованию уже других структур, форм,
организмов и их видов.
В 1859 г. английский естествоиспытатель Ч. Дарвин (1809— 1882) и английский
натуралист А. Уоллес (1823—1913) представили в лондонское Линнеевское общество
совместный доклад о механизме, обеспечивающем направленность эволюции. В докладе
была высказана главная идея этого механизма — естественный отбор, согласно которому
живые организмы могут самосовершенствоваться, эволюционировать в сторону все
большей приспособленности к среде обитания и таким образом виды живых организмов
могут изменяться. На большом фактическом материале ими было показано, что в целом
развитие организмов в историческом плане идет от простых одноклеточных до
многоклеточных млекопитающих, т.е. по восходящей линии — от простого к сложному,
упорядоченному.
Более того, Ч. Дарвина и А. Уоллеса можно считать в известном смысле предтечами
биологической синергетики, поскольку из этих идей вытекало, что порядок и
целесообразность могут спонтанно возникать из беспорядка. Механизмом такой
эволюции является естественный отбор, а материалом для отбора — наследственная
изменчивость. Отметим, что заслугой Дарвина является не сама идея эволюции, этим
вопросом занимались и Аристотель, шведский натуралист К. Линней (1707—1778),
французский биолог Ж. Ламарк (1774—1829), и другие ученые, а то, что он первым
увидел в природе принцип естественного отбора.
Заметим, однако, что к идее естественного отбора практически одновременно с Ч.
Дарвином пришел и малоизвестный натуралист (ставший впоследствии основателем
зоогеографии) А. Уоллес, который использовал в своих предположениях работу
английского экономиста Мальтуса (1776—1834) «Опыт о законе населения». Свои
результаты в виде небольшой брошюры в 20 страниц он и отослал Дарвину в 1858 г.,
результатом чего явился их совместный доклад. Однако когда в 1859 г. появилась
книга «Происхождение
262
видов путем естественного отбора», то автором ее был только Ч. Дарвин [55]. И
мы теперь связываем эту теорию именно с Ч. Дарвином. Книга вышла 24 ноября 1859
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
158
г., и все 1250 экземпляров были распроданы в первый же день. Как говорили
современники Дарвина, по своему воздействию на человеческое мышление она
уступала только Библии.
Физическая эволюция Больцмана для изолированных систем в рамках равновесной
термодинамики, как мы уже знаем, вела именно к установлению равновесия, к
равновесному распределению хаотических состояний. Может быть, поэтому
классическая физика не интересовалась развитием систем. Классические физические
представления, в том числе и квантовая механика, могли объяснить, как устроена
природа на атомно-молекулярном уровне, но не отвечали на вопросы, каким образом она
получилась именно такой и как правильно определить, в каком направлении должно
развиваться живое. Таким образом, согласно Ч. Дарвину, имеется высокая
упорядоченность живой материи и имеется полная разупорядоченность, в конечном
итоге, в неживой природе по физической модели Больцмана.
В природе, в том числе и живой, присутствуют одновременно процессы, приводящие
и к хаосу, и к порядку, более того, их взаимодействие происходит гармонично, что
позволяет использовать принципы и идеи синергетики к эволюции и снимает кажущееся
противоречие между моделями развития Больцмана и Дарвина в синтетической теории
эволюции. Второй закон термодинамики в современном представлении отражает
необратимость всех реальных процессов в живой и неживой природе и тем самым может
являться всеобщим законом развития материи.
Физический же смысл эволюции состоит во все большем удалении живого от
равновесия, от состояния той первичной среды, в которой оно возникло. При этом
необходимым элементом эволюции является хаотичность системы, которая подтверждает
вероятность поведения природных систем. Условия возникновения хаотичности в
эволюции существуют для абсолютного большинства физических, химических,
биологических структур. Заметим также, что биоэнергетическая направленность
эволюции определяет повышение в целом энергии жизнедеятельности живого,
перераспределение которой в организме происходит в соответствии с законами
неравновесной термодинамики и увеличивает преимущество организма в борьбе за
существование и приспособление к окружающей среде
263
11.4. Физическая интерпретация биологических законов
Скорее ураган, проносящийся по кладбищу стрых самолетов, соберет
новехонький суперлайнер из кусков лома, чем в результате случайных
процессов возникает из своих компонентов жизнь.
Викрамасингхе
Неудивительно, что случай имеет над нами такую огромную власть, ведь то,
что мы живем, - тоже случайность.
Сенека
Я обещал вам говорить правду, но никогда не обещал говорить всю правду.
У.Черчиль
Что может еще привнести физика возникающего в современные представления о
живом? На основе каких физических моделей можно объяснить те или иные особенности
живых организмов? Рассмотрим эти вопросы сначала в макроскопическом
представлении. Прежде всего отметим, что мир живого необходимо представлять как
целостную систему, мир растений и животных един и поэтому должны существовать
общие законы развития живой природы. В то же время живая природа является
неоднородной целостной системой, которой свойственна иерархическая организация.
Эту реальную иерархию живой природы классифицировал еще К. Линней и затем
развил Дарвин. Причем само возникновение иерархии, завершившееся в живой природе
видообразованием, определяется естественным отбором и наследственностью. Несмотря
на статистический характер взаимодействия биологических объектов, в живой природе
системы формируются не случайно, а в определенном порядке, который может быть
описан с помощью системного анализа иерархии сложных систем. В этом смысле
возникновение жизни — системный процесс. А обмен веществом, энергией и
информацией является основным интегрирующим фактором, создающим и
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
159
поддерживающим органическую целостность жизни. Один из главных признаков живого
состоит в приспособлении (адаптации) организмов к внешней среде при взаимодействии
с ней. Специфичными формами адаптации можно считать организацию жизни и ее
эволюцию.
Организация живого организма связана с упорядочением его элементов, частей,
целевой функцией которого является достижение полезного результата и сохранение
системы. В этом и есть смысл целеполагания самоорганизующихся систем и живых
организмов. Самоорганизация реализуется через адаптацию, и,
264
следовательно, приспособляемость является причиной изменения живого. Для
существования и развития жизни необходимо целесообразное, т.е. способствующее
сохранению системы, реагирование на воздействие внешней среды, и адаптация здесь
выступает в качестве основного системообразующего фактора живых систем. Можно
считать, что саму жизнедеятельность любого организма следует рассматривать как
приспособляемость в условиях эволюции. В этом смысле адаптация —
общебиологический принцип [160].
11.4.1. Физические модели в биологии
Имеются физические модели, рассматривающие живой организм как целостную
макроскопическую квантовую систему. Тогда устойчивость живого (различие и
устойчивость видов и отдельных особей) может быть объяснена на основе имеющихся
принципов квантовой механики, в том числе — тождественности и дискретности. Можно
дать физическое обоснование многообразной дифференциальной устойчивости на других
уровнях квантовой организации природы — атомном, молекулярном и ядерном.
Условием применимости квантово-механического подхода к макроскопической системе
как целому является наличие в ней нелокального самосогласованного потенциала [126].
Правила отбора позволяют превратить квазинепрерывный спектр переходов между
уровнями в дискретный. Конечно, нельзя однозначно и «впрямую» переносить законы и
положения квантовой механики микромира на макроскопические объекты живой
природы. Однако методологически можно ожидать успеха, как это мы видели на примере
космомикрофизики. Кроме того, хотелось бы, чтобы законы, объясняющие природу,
были бы одинаковы для всех ее элементов. Квантово-механический подход к живому
позволяет использовать для описания процессов в организме такие понятия, как
«состояния» и «вектор развития» этих состояний, а также статистически построить базис
пространства этих векторов.
Представление фазового пространства в нелинейной динамике также дает
возможность анализировать процессы жизнедеятельности организма. В диссипативных
структурах за порогом неравновесного фазового перехода в среде возникают когерентные
взаимодействия. Как нам уже известно (см. гл. 7), используя нелинейные
дифференциальные уравнения и понятия аттракторов, можно классифицировать
возникающие структуры и описывать траектории движения вокруг особых точек.
Поведение
265
точек фазового пространства в таком случае будет определять развитие и изменение
состояния системы. Поэтому эволюционный процесс математически может быть описан
векторным полем в фазовом пространстве. Понимание странного аттрактора как особого
состояния хаоса, из которого может возникнуть упорядоченная иерархическая структура
живого организма, подтверждает борьбу организма за отрицательную энтропию.
Известно, что хаотическое состояние для замкнутых систем характеризуется
возрастанием энтропии системы, которая зависит от фазового пространства, занимаемого
системой. Поэтому, если траектории системы будут равномерно заполнять некоторый
объем в этом пространстве, эффективный объем, занимаемый системой в случае
странного аттрактора, будет существенно больше, чем в случае обычного. Поскольку
обычный аттрактор связывается с порядком, то появление странного аттрактора означает
увеличение фазового пространства и энтропии и тем самым переход к хаосу.
Следовательно, упорядоченное состояние живого организма обладает меньшей
энтропией, чем окружающая неструктурированная хаотическая внешняя среда. Заметим
также, что аттракторы определяют устойчивое состояние, и если система попадает в поле
его притяжения, то она обязательно эволюционирует к этому устойчивому состоянию
(структуре). Будущее состояние системы (среды) как бы «притягивает», организует,
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
160
формирует, изменяет ее настоящее состояние. В этом смысле можно сказать: будущее
влияет на настоящее! Странные аттракторы определяют границы неустойчивости, в
рамках которых происходят флуктуации и бифуркации. Получается, что обычный
аттрактор описывает устойчивое равновесие порядка, а странный — неустойчивое
равновесие детерминированного хаоса.
Их динамическое (а может быть, и гармоническое) сочетание характеризует
эволюционный процесс развития живой системы. Спектр структур-аттракторов
представляет собой поле путей развития, бифуркационное дерево возможных ветвящихся
направлений развертывающихся событий. Он может определяться воздействиями
управляющих параметров и внутренними свойствами среды и заключает в себе тем
самым план эволюции. Этот план потенциален и зависит от нелинейных свойств среды.
Воздействие управляющих параметров в точках бифуркации приводит к тому, что
система начинает осуществлять свой потенциальный план развития.
Может быть, в этом и заключается физический смысл памяти. Превышение
управляющих параметров некоторых пороговых
266
значений качественно изменяет состояние системы и характер ее развития.
Качественное же изменение состояния организма означает новые пути эволюционного
процесса. Заметим, что всякое развитие сложной системы, выражающееся в появлении
нового качества, возможно только при наличии в системе флуктуаций, склонных к
разрастанию.
Сочетание синергетического и квантово-механического подходов позволяет в рамках
модели физики живого рассматривать организм как диссипативную структуру,
динамическая устойчивость которой определяется устойчивостью макроскопического
квантового объекта. Для возникновения диссипативных структур, в которых устойчивы
упорядоченные неравновесные состояния, требуется большое количество энергии. Обмен
энергией с окружающей средой приводит к тому, что свободная энергия «забирается» из
нее, а «обесцененная» (с положительной энтропией) отдается окружающей среде —
рассеивается в ней (диссипатируется). Поэтому диссипативная структура живого
организма обладает более дифференцированными и организованными уровнями
упорядоченности, требующими для своей жизнедеятельности больше энергии, чем для
поддержания функционирования простых структур. Энергия как бы «творит» более
высокие уровни организации. Естественно, что дифференциация ведет к усложнению
системы, пределом которого может быть достижение неравновесного состояния
(«устойчивого неравновесия», по Э. Бауэру), характерного для живых организмов.
Такие представления согласуются с принципом минимума диссипации энергии по
H.H. Моисееву, т.е. накопления свободной энергии в организме, и принципами Розена:
оптимальной конструкции в биологии, оптимальной структуризации, минимизации траты
энергии и «строительного материала». Действительно, из 111 химических элементов
природы организм использует только 22, причем он состоит на 99% из легких элементов:
Н
2
, O
2
, С и N
2
, соответственно 60, 25, 10 и 2%. Принцип оптимальной конструкции
живого выступает здесь как частный случай всеобщих физических принципов
оптимальности и наименьшего действия. Чем выше организация, тем эффективнее
использует живой организм энергию, получаемую из внешней среды в процессе обмена
веществом. Эффективность использования энергии проявляется как в необходимом
поддержании и сохранении своей организации, так и в минимизации расхода энергии.
Поэтому принцип минимума диссипации энергии мож-
267
но рассматривать как частный случай общего принципа экономии энергии и
минимума производства энтропии.
Согласно И.Р. Пригожину, если имеющиеся граничные условия мешают системе
достичь термодинамического равновесия, а это означает нулевое производство энтропии,
то такая система переходит в состояние с наименьшей диссипацией. Тем не менее любая
работа, совершаемая живым организмом, при сохранении собственной внутренней
энергии (если она будет уменьшаться, организм погибнет) должна компенсироваться
притоком энергии извне. В целом наименьшая «трата» энергии, т.е. максимальная ее
экономия, характерна для функционирования живых систем и свидетельствует об их
высокой организации. Например, энергия, требуемая для функционирования клетки,
составляет менее 10
5
эВ, а энергия лазера, обеспечивающая его работу, — около 10
12
эВ.
Для живых организмов энергетически выгодно сокращение поверхности организма,
которая находится в контакте с внешней средой. У высокоорганизованных