Современные научные подходы к пониманию живой и неживой
advertisement
СОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ПОДХОДЫ К ПОНИМАНИЮ ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ МАТЕРИИ Королев А.С. Московский институт радиотехники, электроники и автоматики korolev@mirea.ru В докладе анализируются определения живой материи, существующие в физике, биологии, генетике. Показывается, на что, в первую очередь, в понимании живой материи обращают внимание ученые различных областей науки. Предпринимается попытка сформировать по результатам анализа такое определение живой материи, в котором учитывались бы принципиальные особенности живого, специфицирующие его и отличающие от неживого. Также в докладе показывается, какие из приведенных особенностей живого можно моделировать при помощи современной физики и математики. Обсуждаются возможности квантовой физики и р-адической математической физики для моделирования иерархичности и самовоспроизведения живых систем, а также наличия у них сознания. В размышлениях о происхождении жизни всегда, явно или неявно, исходят из некоторой гипотезы о том, чем "живое" отличается от "неживого". Например, когда-то считалось, что "живое" – это система, построенная на основе органических (т.е. "живых") соединений. И проблема абиогенного синтеза органических соединений (то есть появление живого из неживого) считалась главной. Понимание того, что абиогенный синтез – реальность, было достигнуто в пятидесятых годах прошлого столетия. В 1953 г. американские физики С. Л. Миллер и Г. К. Юри, доказывая возможность на ранних этапах становления жизни на Земле абиогенного синтеза органических соединений, экспериментально получили некоторые низкомолекулярные органические соединения из неорганических. Уже в 2004 году были проведены лабораторные эксперименты, которые показали, что абиогенный синтез достаточно сложных соединений вполне мог протекать в условиях открытого космического пространства под действием компонентов космического излучения. Очевидно, синтез нуклеотидов и олигопептидов мог происходить уже на начальных этапах формирования Солнечной системы, а к моменту возникновения благоприятных условий на поверхности нашей планеты химическая эволюция уже была готова смениться биологической эволюцией. Сейчас в космосе можно обнаружить значительное количество органических молекул. Таким образом, ответ, в чем отличие живого и неживого, с этой точки зрения, получить не удается. Когда было открыто нарушение зеркальной симметрии биоорганического мира (т.е. отсутствие в биологических структурах той симметрии, которая есть в кристаллических структурах), то Луи Пастер, наблюдавший это примечательное свойство первым, выдвинул гипотезу, что именно это свойство является "демаркационной линией между живым и неживым". Происхождение этого феномена не понято учеными до сих пор. Как известно, операция зеркального отражения (или пространственной инверсии) позволяет рассортировать пространственные структуры на два класса. Один класс – это объекты, пространственная структура которых неинвариантна к операции зеркального отражения. К этому классу относятся молекулы, не обладающие плоскостью и центром симметрии, которые называются хиральными (от греческого «хиро» – рука) просто потому, что правая и левая рука – самый наглядный образ зеркальных антиподов. Именно такие молекулы обладают оптической активностью. Другой класс образуют ахиральпые молекулы, структура которых имеет плоскость или центр симметрии и поэтому инвариантна к зеркальному отражению. Такие молекулы не обладают оптической активностью. IVTN-2009: /14.01.2010 d09_20.pdf #1 Вопросом, как в мире, где уже возникли простейшие органические молекулы, могли возникнуть биоорганические структуры, занимается ряд ученых, в т.ч. академик Виталий Иосифович Гольданский и лаборатория теории нелинейных физико-химических процессов в Институте химической физики, лауреат Нобелевской премии Манфред Эйген и др. Попытаемся ниже вкратце сформулировать их выводы. Если говорить, например, о последовательности звеньев в биополимерной цепи, скажем ДНК или РНК, то очень важно, какая именно это последовательность. Если говорить о пространственной структуре, в которую укладывается биополимерная цепочка, например белок, то очень важно, в какую именно структуру она укладывается. В биомолекулярных структурах каждый элемент размером с атом или несколько атомов обязан находиться строго "на своем месте". От этого зависит работа всей "биохимической машины" – живой клетки. Здесь и проявляется то, что в биологических структурах нет той симметрии, какая есть в кристаллических структурах. Именно симметрия делает кристалл упорядоченным и простым, и именно отсутствие симметрии делает биомолекулярные системы "неупорядоченными" и сложными. Например, зададим вопрос: сколько вариантов структуры кристаллического типа, с заданным типом симметрии, можно построить из 200 элементов? Ответ простой – один или несколько – в зависимости от типа симметрии, но всегда очень немного. А сколько вариантов структуры "биомолекулярного" типа можно построить из 200 (условных) шариков или кубиков? Выясняется, что число таких вариантов просто невообразимо большое – это примерно 10 в степени 100. Системы биологического типа принципиально не могут "просмотреть" все возможные варианты. Природа как-то так организует поиск в гигантском море альтернатив, что, с одной стороны, он существенно случаен (в статистической физике это называется "запоминание случайного выбора"), но с другой – сохраняет возможность контролировать результат поиска, то есть предсказуем. В этом, собственно, основная проблема и, возможно, это можно принять за отличительное свойство живого. Эту проблему американский ученый Левинталь сформулировал в виде парадокса. Все эти рассуждения относятся к очень популярной сейчас эволюционной гипотезе, которая называется "эволюцией РНК-мира". Т.е. к такому механизму работы клетки возможно было прийти в результате длительной эволюции. Тезис Дарвина относительно механизма действия эволюции (случайное изменение признаков с последующим закреплением в потомстве удачного результата) позже подтвердил биохимик Кастлер, применивший методы кибернетики к нуклеотидным системам. Если следовать Кастлеру, то основной принцип эволюции – это "запоминание случайного выбора", а "запоминание" – это воспроизведение определенных молекулярных структур с определенными функциональными свойствами. Воспроизведение молекулярных структур – одно их центральных свойств биологических систем. Эта функция лежит в основе организации и функционирования клетки. Как бы ни протекала эволюция, рано или поздно она должна была привести к появлению свойства воспроизведения. Вопрос воспроизведения, копирования с точки зрения квантовой механики в самом деле уже ставился, и на него был получен отрицательный ответ. Согласно квантовой теории воспроизведение невозможно. Как быть с этим постулатом? Принять, что точное копирование невозможно – но мы ведь вроде бы видим, что происходит воспроизведение белков и нуклеиновых кислот при делении клетки, клонирование, наконец? Или продолжая верить в квантовую теорию, пытаться разобраться в том, правильно ли мы понимаем, что такое воспроизведение? Иногда высказывается мнение, что если построить достаточно мощный компьютер, то он сможет решить любую прикладную задачу. На самом деле процессы передачи и переработки информации происходят по физическим законам, и установлены принципиальные ограничения на допустимую сложность поддающихся решению задач. IVTN-2009: /14.01.2010 d09_20.pdf #2 Это так называемые задачи полиномиальной сложности. Новые возможности здесь открывает квантовый компьютер. Вообще, если подумать, то нетрудно понять, что человек часто решает подобные проблемы, и решает их одним и тем же способом – создает иерархический алгоритм поиска решения. Так создана почтовая система, системы дорог и коммуникаций, библиотеки, телефонная сеть, Интернет. В результате, требуется небольшое число шагов, чтобы в a priori гигантском массиве поиска найти то, что нужно. Но предположим, что процесс самоорганизации биологических систем существенно иерархичен. Может именно в этом специфика живого? Как это ни удивительно, но иерархические структуры появляются и в чисто физических системах – спиновых стеклах, кластерах, наночастицах, больших молекулах и биополимерах. Задачами моделирования иерархий занимается в России доктор физико-математических наук, член-корр. РАН Волович И.В., зав. отделом математической физике в математическом институте им. В.А. Стеклова РАН. Оказалось, что иерархическую "конструкцию" очень неудобно описывать той математикой, которая основана на естественных для нас представлениях о числах. И это не техническое неудобство. Есть понимание того, противоречие носит глубинный характер. Здесь возникает вопрос о необходимости появления новой математики. Основы математики просты. Это всем известное множество натуральных чисел: 1,2,3,… Особенно важную роль в теории чисел играют простые числа p=2,3,5,7, 11,… Это такие числа, которые не делятся на другие натуральные числа. Фактически речь идет о появлении новой математики, которая на стыке с биологией помогает решить вопросы биологической самоорганизации. Здесь имеются в виду Радические числа. Р-адическая геометрия выглядит странно. Например, каждая точка р-адического шара является его центром. Два шара не могут пересекаться частично. Они либо не имеют общих точек, либо один шар содержится в другом (как две капли ртути). Однако эти странные геометрия и анализ хорошо приспособлены для описания иерархических структур. Причина заключается в следующем. Р-адический шар обладает естественной иерархической структурой. Он состоит из конечного числа шаров меньшего радиуса без пустот. Рассмотрим возможность объяснения возникновения жизни, применяя понятие асимметрии. Такое объяснение можно найти у доктора физико-математических наук Аветисова В.А. и доктора химических наук Костяновского Р. Г. Мы видим и знаем, что из двух возможных зеркальных антиподов хиральных соединений в живой природе, в структуре клеток используется только один. Например, все аминокислоты, которые входят в состав функциональных белков, это только левые аминокислоты. Таким образом, белок – это полимерная цепочка, сделанная только из левых аминокислот. Таким образом, получается, что, во-первых, цепочки самых важных молекул в жизни – белков и аминокислот – собраны только из кирпичиков одного типа хиральности. Это называется свойством гомохиральности, гомохиральные полимеры. И, во-вторых, мы нигде не встречали каких-либо признаков жизни с противоположным строением. Или РНК, или ДНК, тоже пусть гомохиральные, но собранные из левых сахаров. Фундаментальные законы и фундаментальные представления, которыми мы пользуемся в обычной жизни, говорят буквально о следующем: ответственным за все химические превращения является электромагнитное взаимодействие. А электромагнитное взаимодействие сохраняет зеркальную симметрию. Именно поэтому зеркальные антиподы – левая и правая молекула – в химических реакциях проявляет себя одинаково. Спрашивается, каким же образом в мире, который управляется симметричными силами или симметричными взаимодействиями, могло возникнуть полное нарушение симметрии? IVTN-2009: /14.01.2010 d09_20.pdf #3 Конечно, для того чтобы поговорить об этом, о том, каковы взгляды на эту проблему, мы должны перейти (если мы говорим об эволюционном аспекте этой проблемы) к некоему эволюционному сценарию. На самом деле, сейчас не так важно для нас, каков конкретный сценарий. Мы понимаем, что как бы мы ни рассматривали эволюцию Вселенной или эволюцию на Земле, у нас, безусловно, возникает некий химический мир. А раз возникает химический мир, то он должен быть симметричным. Предположим, что у нас есть некий этап, на котором возник симметричный химический мир. Пусть далее, в результате каких-то причин, этот симметричный мир оказался асимметричным, то есть произошло нарушение симметрии. И возник какой-то асимметричный, но тоже химический мир. И пусть далее в этом уже асимметричном химическом мире каким-то образом (каким, пока мы не знаем) возникли сложные структуры, похожие на белки, РНК и ДНК, и зародилась жизнь. Тогда, если мы представляем себе такую логику развития событий, мы должны задать, по крайней мере, два вопроса. Вопрос первый: а возможно ли нарушение зеркальной симметрии в ходе естественных природных процессов? И вопрос второй: а возможна ли сборка сложных структур, пусть даже в асимметричном хиральном мире? Кажется вполне естественным, что с первым вопросом ученые как-то разобрались. Можно представить на суд множество разных экспериментов, подтверждающих то, как симметрия может нарушаться в маленьких или в больших ареалах. И теперь второй вопрос. Давайте попробуем понять, можем ли мы каким-то образом эволюционировать от асимметричной среды к сложным структурам, во-первых, создав такие системы, которые могли бы реплицироваться. А во-вторых, создав условия для эволюции таких систем. Ребек, как бы комментируя дискуссию о том, что репликация – это свойство исключительно биологических систем – построил систему, которая действует как «инь» и «янь». Он сделал две такие молекулы, причём «янь» собиралась на «инь», а уже потом они распадались, и на каждой из этих двух половинок собиралась соответствующая комплементарная половинка. Обратим внимание, что здесь он использовал один принцип, который взял из биологии – принцип комплементарного соответствия, как это происходит, например, в двойной спирали ДНК. Он показал, что молекулярные структуры могут быть достаточно простыми, и, тем не менее, они могут обладать свойством репликации. Миф о том, что репликация есть свойство исключительно биологии, был немедленно разрушен. Теперь можно выстроить таким образом достаточно длинные цепочки, они складываются в специальные структуры, РНК или ДНК (остановимся, например, на концепции эволюции РНК-мира) – и всё. Дальше мы попадаем в область эволюции совершенно других структур и других правил. Мы проскочили барьер от неживой химии к живой. Тут возникает проблема. Эшенмоузер собрал примерно 18 звеньев и сказал, что «я могу собирать так сколь угодно много». На самом деле нет. Оказалось, по теоретическим оценкам, что критической является длина порядка 30 единиц. Этого явно недостаточно. Из этих 30 единиц мы никакие специфические – в функциональном смысле – структуры не создадутся. А почему критическим оказывается длина порядка 30 единиц? По одной простой причине. По той причине, которая называется «катастрофой ошибок». И вот эта катастрофа ошибок связана со сложностью структур. Все это относится к парадоксу Левинталя, о котором было сказано выше. Все исходит из вопроса: что такое построить гомохиральную цепочку? Это значит построить определённую последовательность, например, только из левых молекул. Оказывается, когда это число становится слишком большим, есть два варианта: либо очень точно собирать, либо отказаться от сборки. Чтобы точно собирать, нужно иметь очень специальные процессы, которые могут обеспечить только такие специфические структуры, как белки, то есть такие процессы, IVTN-2009: /14.01.2010 d09_20.pdf #4 какие мы наблюдаем в биологии. Но если у их нет, то тогда есть только один способ: нужно держать настолько чистой среду, чтобы в этой среде у были только, скажем, левые изомеры, из которых все строится. А правых было бы исчезающе мало, настолько мало, чтобы вероятность появления неправильного звена была бы очень маленькой. То есть специфичность функций заменяется специфичным состоянием среды. И вот тут появляется замкнутый круг. С одной стороны, получается, что требование, чтобы у нас возникло нарушение зеркальной симметрии на стадии предбиологии, не помогает перейти к строительству сложных структур – нельзя построить гомохиральные структуры, потому что нельзя создать такую чистую среду, в которой такие сложные структуры могли бы строиться. С другой стороны, если, тем не менее, мы найдём какой-то способ, как пройти катастрофу ошибок, как перейти этот барьер, то тогда, как показывают теоретические оценки, нам не важно, в какой среде мы стартуем: в симметричной или в асимметричной. В этом смысле сценарий асимметричной среды для возникновения гомохиральных полимеров вовсе и не нужен. Основная проблема в вопросе возникновения гомохиральных последовательностей, это проблема катастрофы ошибок. И она вообще является общей проблемой для всей эволюционной концепции, – как пройти катастрофу ошибок. При этом ещё возникает вопрос о том, каков выбор знака. Известно, что мы состоим из левых аминокислот и правых сахаров. Однако не ясно, как это получилось, потому что, чтобы ответить на этот вопрос, надо построить теорию предбиологической эволюции, а ее построить нельзя, пока не известно, как решить проблему катастрофы ошибок. Заметим, что одним из четырех фундаментальных взаимодействий является слабое взаимодействие и только слабое взаимодействие обладает нарушенной зеркальной симметрией. Поэтому закономерно, что появилась гипотеза, которая пытается связать нарушенную зеркальную симметрию слабого взаимодействия с асимметрией живой природы. Немедленно встал вопрос: может ли слабое взаимодействие проявить себя на химическом уровне? Оценки показали, что для того чтобы слабое взаимодействие проявило себя на химическом уровне, нужно усилить, условно говоря, величину 10 в минус 17-й степени (это единица, делённая на единицу с 17-ти нулями) до единицы. Как это сделать? В конце концов, ученые остановились на том, что если действительно имеется процесс типа спонтанного нарушения симметрии (это может быть не только кристаллизация, а могут быть нелинейные реакции с критическим поведением, с неустойчивостью симметричного состояния), то тогда вблизи критических условий, то есть там, где зарождается нарушение симметрии, в момент зарождения нарушения симметрии (то есть потери устойчивости симметричного состояния) оказывается, что слабое взаимодействие становится очень сильным. Хотя само по себе оно в сильное взаимодействие не превращается. Дадим теперь определение жизни с другой точки зрения и попытаемся проанализировать его. Жизнь можно охарактеризовать как открытую неравновесную систему, находящуюся в стационарном состоянии, когда приток вещества и энергии равен оттоку. В неравновесных системах могут происходить процессы самоорганизации. Такие системы чувствительны даже к минимальным воздействиям, гравитационным, электромагнитным полям. И они стремятся подстроиться под условия. Также они стремятся уменьшать энтропию. Следствие этого – усложнение систем. Существует общность законов физики и химии для живых организмов: размеры клетки определяются законами диффузии – известно, что масса клетки линейно растет пропорционально кубу, а поверхность клетки, через которую осуществляется диффузия веществ, растет линейно пропорционально квадрату, поэтому клетка не может быть очень большой. IVTN-2009: /14.01.2010 d09_20.pdf #5 Можно найти подобные аналоги в природе: радиальная форма стволов деревьев определяется гравитацией, торпедовидная форма морских животных определяется гидродинамическими законами, масса и форма птиц – аэродинамическими законами. Самоорганизация возникает в системах с обратными связями (положительными и отрицательными). Ниже приведены варианты объяснений, каким образом процессы, происходящие в неживых организмах, без резких границ распространяются и на живую материю: 1. Передача энергии у сопряженных химических реакций происходят через общий продукт. 2. Реакция кросскатализа – химические молекулы меняют свое тождество синхронно, конечный продукт катализирует начальный продукт. Подобно этому в биологических системах синтез нуклеиновых кислот определяется белками, а структура и синтез белков определяются нуклеиновыми кислотами. С точки зрения определенных ученых, к числу которых относятся биолог Мстислав Крылов и физик Михаил Либенсон, материи сильно связаны с собой и можно сказать, что природа едина, и не стоит строго делить живое и неживое. Но всё-таки, не проводя жирной черты между живой и неживой природой, утверждая, что и та, и другая развиваются и действуют по одним и тем же законам самоорганизации и усложнения, мы наталкиваемся на невозможность экспериментальным путём получить ту самую первую форму жизни, ту самую первую «матрицу», способную репродуцироваться. И это остаётся огромной загадкой. В неравновесных системах идут необратимые процессы. Время имеет направленность, и поэтому невозможно повторить то, что уже было. Дело в том, что, скажем, амфибии произошли от рыб. Но амфибии не могут превратиться в рыб. Ступеньки такие: рыбы, амфибии, рептилии, птицы и млекопитающие. Млекопитающие опять вернулись в воду, дельфины, китообразные, однако, они не приобрели жабры. Они решили эту проблему иначе. То есть эволюция необратима. В зоологии это формулируется как закон Долло. Но это лишь частный случай общего закона однонаправленности времени. На ранней Земле простейшие организмы жили без свободного кислорода, то есть не было кислорода, и они прекрасно существовали и размножались. И они дали начало сине-зелёным водорослям, которые стали использовать энергию солнечного света, то есть начался фотосинтез. В результате метаболизма начал выделяться свободный кислород, и он стал появляться в атмосфере. И этот кислород уже был ядом для тех начальных форм, которые породили новые. Поэтому эволюцию можно сформулировать таким образом (крупномасштабно, только для понимания): новое зарождается в недрах старого, новое изменяет условия, и эти условия становятся неприемлемыми для старого. И старое должно либо погибнуть, либо уйти с авансцены. В последнее время молекулярные биологи у многих организмов секвенировали геномы – это последовательность нуклеотидных оснований ДНК. И это позволило выявить, что организмы, далеко отстоящие друг от друга систематически, как например, человек и мышь, имеют до 95% одинаковых генов. Раньше в это вообще бы никто бы не поверил. Из этого видно, что эволюция имеет необратимый эстафетный характер. Бурная история Земли, которая тоже неплохо изучена, говорит о том, что сначала это была горячая планета (хотя и не сверхгорячая, как звезда), и там была бурная тектоническая деятельность, менялся химический состав атмосферы, менялось содержание разных элементов в ней, которые были захвачены на предыдущей стадии. Вот эволюция неживой материи: от отдельных атомов к молекулам, к изменению агрегатного состояния, к образованию «огромных» форм из этих агрегатных состояний гидросферы, атмосферы, суши. Плюс взаимодействие с очень сложными процессами изменений климата. Плюс учёт природы, как огромной системы, как того, что изучают науки о земле. С учётом различных полей, которые влияют на наши условия, – это IVTN-2009: /14.01.2010 d09_20.pdf #6 электромагнитные взаимодействия и гравитационные. Всё остальное находится гораздо более компактно. Жизнь можно рассматривать как естественный процесс эволюции матери. И везде во Вселенной, где имеются соответствующие условия, может существовать жизнь. То есть, Земля – это не единственное космическое обитаемое тело. Не единственное. И если учесть, что во Вселенной имеется около десяти в одиннадцатой степени звёзд, которые могут иметь планетные системы, то вероятность таких условий, как на Земле, повышается. Поэтому вот путь, который некоторые ученые считают очень перспективным, следующий. Первое – и в неживой, и в живой природе происходит усложнение. Второе – очень существенны процессы самоорганизации, которые и могли быть тем переходным мостиком, который преодолел этот разрыв. И где-то должны были быть, конечно, качественные скачки. По мнению академика РАН Галимова Э.М. и доктора химических наук Варфоломеева С.Д. иерархичность и самовоспроизведение, о которых говорилось выше, не являются специфичными свойствами живого. Каждое из них встречается в неорганическом мире. Рассмотренный ранее математический аппарат (P-адическая система и квантовая физика) также приложим как к живым, так и к неживым организмам. Кристаллизация структуры также самовоспроизведение, только в неживой природе. Вопрос: что является существенно отличным для живого? Многие ученые, как уже упоминалось, пришли к выводу, что граница между живым и неживым очень нечеткая. Приведем некоторый понятийный пример. Если кто-то мог бы наблюдать город или завод из космоса, но не видел людей. Он понял бы, что это что-то не действующее по законам неживой природы, что это живое. Суть состоит в том, что все потоки города или завода управляются людьми. Принципиальное расхождение проблемы – поведение самого вещества (завода, города) не является существенным – существенным является то, что управляются процессы в веществе людьми. В живом организме то же самое: сами процессы достаточно примитивны – главное, что управляются они молекулой, которая несет инструкцию (информацию), как сделать ферменты, а ферменты (люди, исполнители в примере с городом или заводом) управляют операциями. Если рассматривать нас просто как органическую массу, то можно сказать, что через нас прокачивается масса неживого материала, который становится живым на время, потом выбрасывается и весь секрет жизни заключается в управляющем моменте. Таким образом, нельзя определить живое через его свойства – что оно двигается, прыгает, его структура такая-то и т.п. Живые сущности – это сущности, процессы в которых протекают по инструкции, заданной эволюционным упорядочением, которое в свою очередь складывалось миллиарды лет. С другой стороны, с точки зрения Варфоломеева С.Д, все же. есть совокупность признаков (5-7), которые помогут строго определить отличие биологического от небиологического материала, в том числе и биохимические. Он дает такое определение жизни: жизнь – это процесс считывания молекулярной информации в молекулярных формах с молекулярной матрицы в определенном режиме. Предыдущий пример может также пояснить и это определение жизни – большой город (аналог организма). Есть носитель информация (матрица) и организм, который ее реализует, получая различные структуры. Приведем описание того, как происходит самосборка ДНК. 1 вариант – случайно, но случайность нужно продлевать до момента происхождения генетического кода. Сейчас этот вопрос закрыт. Случайной самосборки быть не может. В механизм можно заложить правило отбора, по которому самосборка будет осуществляться достаточно быстро (будет значительно меньшее количество переборов). Этот механизм является следствием процесса упорядочения. IVTN-2009: /14.01.2010 d09_20.pdf #7 Если есть механизм, который позволяет произвести микроскопическое упорядочение, а затем увеличить число копий, то мы можем упорядочить пространство на микроскопическим уровне. Если мы это разрешим, то откроется возможность из простых молекул сделать сложные. Таким образом, необходимо создать матрицу. Есть мнение, что разрыв между простыми и сложными молекулами не может быть преодолен. Первичную матрицу задает внешний компьютер. Т.е сначала был виртуальный (по отношению к нам) мир и он сделал реальным наш мир. Т.е., допустим, ответ на такой вопрос: могли бы мы сейчас сделать жизнь другими способами на другой основе, будет следующим: могли бы и могли бы затем оставить ее жить в условиях, например, Меркурия. Можно любой генетический код, который мы имеем, перестроить и составить из других кирпичиков. Упорядочение (предписанность определенной реакции) – универсальный механизм для всего живого на первичном этапе жизни – при возникновении из простых молекул сложных. Для того, чтобы упорядочение закрепилось пространственно, оно должно сопровождаться итеративностью, множественностью копий. Квантовая механика не запрещает копирование – она просто не позволяет это делать совершенно точно. Сейчас мы можем искусственно создать механизмы, связи, воспроизведение и т.п., но природа, в начале возникновения жизни обладала только этими возможностями и поэтому по-другому происхождение жизни протекать не могло (не только на Земле). С этой точки зрения, если бы нас посетило существо с другой планеты, то оно было бы очень похоже на нас, не морфологически, а структурно, по биохимии. Там были такие же матрицы и ферменты, потому что ничего лучшего природа самопроизвольно найти не может. С точки зрения Варфоломеева С.Д. человек синтезирует сейчас большое число молекул, которых в природе не существует и не могло существовать. Химическое разнообразие молекул в миллионы раз превышает разнообразие биологических структур на основе углевода, азота, фосфора и т.д. На это можно ответить, что мы тоже продукт эволюции и эта способность вовлечь в процесс эволюции материю могло произойти только сейчас на современном этапе. Сначала могло быть только очень просто, а просто – только так, когда сложнее – то больше. А сейчас в процесс упорядочения мы можем вовлечь уже материю – здания, заводы, города. Возражением этому является то, что в таком случае природа лишается возможности самоорганизовываться на основе других носителей. Такая концепция была бы более стройна, если бы было сказано, что в других условиях возможно было бы из других молекул создать все матрицы и сложные молекулы, которые сами из себя создали бы формы жизни. Однако это невозможно из-за ограничения свободы взаимодействия. С другой стороны, то, о чем только что было сказано, это отсутствие ограничений во взаимодействии – и так можно и по-другому. Если мы хотим взять механизм предписания и ограничений свободы, то он поведет вас только этим путем и другого у него нет, а уже на нашем этапе эволюции мы можем включить неограниченные варианты построения структур. Точка зрения доктора физико-математических наук Горбачева В.В. схожа с упоминавшемся уже выше взглядом ученых, считающих, что атомы, электроны, элементарные частицы есть и в нас и в камне и на вопрос, чем отличается живое от неживого, ответить не так легко. Согласно Б.М. Медникову, написавшему книгу «Аксиомы биологии», отличие живого от неживого лучше всего определить на рынке – за дохлую и живую лошадь дают разные цены. Если предположить, что материя была всегда, то, может, жизнь тоже всегда была, есть и будет? Горбачева В.В., как физик, пытается объяснить понятие жизни с точки зрения энтропии. Сейчас наш организм – система более упорядоченная, чем деструктивная окружающая IVTN-2009: /14.01.2010 d09_20.pdf #8 среда. Энтропия – часть энергии, такой энергии, которая связана, ее нельзя реализовать, она не переходит полностью в работу. Свободную энергию мы можем использовать. Энтропия – деньги в банке – они у вас есть, но не работают, вы ими не можете воспользоваться. Т.о. организм должен избавляться от энтропии, которая является мерой хаоса, разупорядоченности. Если неорганика – сосуд с газом – через некоторое время установится равновесие и энтропия будет максимальной. Живое более упорядоченное, в нем меньше энтропии, если энтропия возрастает сильно, то живое умирает. Кандидат технических наук Штеренберг М.И. выступает против такой точки зрения и считает, что ту же неравновесную энергию, которую черпает жизнь, черпает вода от солнца в тысячу раз большую. И в облаках тоже запасается много энергии и т.п. Жизнь полностью отвечает законам физики и химии. Поэтому лучше подойти как инженер и заметить закономерность – ядра атома состоят из 2-х частиц, атомов можно создать очень много, в природе их всего порядка 100. Молекул также можно создать миллионы, в природе их значительно меньше. Таким образом, в природе есть общая проходящая через все уровни материи жесткая система ограничений: воздействия космоса, солнца и т.п. Если мы эти воздействия можем обратить себе на пользу, тогда мы существуем. Самые важные свойства системы – это те, с помощью которых она обеспечивает себе существование. Физика дает всего 2 способа – стабильный (камень всему противодействует), лобильный, неустойчивый – течет ручей, лопатой вычерпнем воду – отток уменьшится, приток увеличится, восстановится равновесие. В организме вот какое отличие – организм реагирует опережающее – запах – это пища или хищник. У организма возникает реакция на ничтожно малое возмущение, но адекватная источнику. Т.е. организм должен на очень малое возмущение ответить специфической реакцией. Возникает следующее условие: он должен обладать энергией, которая не рассеивается. Все разнообразие мира основано на потенциальных барьерах, например, вода и плотина. Вся таблица Менделеева основана на потенциальных барьерах. Если бы их не было, все сошлось бы только к железу. Законов физики, говорящих, что на малое специфическое возмущение пробивается потенциальный барьер, нет, но систем таких множество – молнии бьют по деревьям, мы поворачиваем выключатель, катализаторы в организмах. Одна информация различна для разных объектов и организму нужна именно та информация, которая пробьет потенциальный барьер. Еще одно условие – необходимо, чтобы выделилась энергия, которая совершит работу. Элемент, удовлетворяющий приведенным выше условиям, уже приобретает свойства живого, он может опережающе реагировать. Во всех организмах и автоматах одинаковая идея. Фон Нейман считал, что упорядоченность это то, что требует минимум описания. Например, кристалл описать очень просто, а молекулы очень сложно. В противовес идее упорядочения можно сказать, что памятник человеку гораздо упорядоченнее, чем сам человек. Горбачев В.В. делает поправку, что имеется в виду упорядоченность не кристалла, памятника или кладбища, а упорядоченность процесса. Однако Штеренберг считает, что поток – заблуждение физиков. Организм работает информационно, за счет сигналов – это гораздо экономнее. Например, голодная собака развивает колоссальную энергию, сытая будет спать. Лотман (филолог) высказал мнение, что закон разнообразия можно предложить как идею жизни. Согласно этому закону имеется система норм и запретов, которые действуют в виде физических законов. При этом нужно учесть, что сами сигнальные элементы не определяют жизнь. Жизнь современная – это длительный эволюционный процесс. Но когда она возникала, были совершенно другие условия, поэтому живые организмы сейчас уже не могут произойти из неживых, как это доказал Пастер, они должны производить живое внутри самих себя, путем воспроизведения. Т.е. организм должен сам искать пищу, расти и размножиться. IVTN-2009: /14.01.2010 d09_20.pdf #9 Закон Геккеля-Мюллера: эмбрионы высших организмов повторяют в своем развитии эмбрионы всех их эволюционных предшественников. Жизнь это активный сигнальный способ сохранения системы. Живая система уникальна, она отражает в себе весь космос. Возьмем простой камень – он состоит из кремния, углерода и т.п. – он эволюционный микрокосм – в нем следы взрыва звезд и эволюции земли. Горбачев В.В. считает такую формулировку Штеренберга М.И. не совсем полной. Путем энтропии тоже можно все объяснить. Штеренберг М.И. возражает, что энтропия тут не причем. Животное замерзает – оно продуцирует энтропию, дрожит, порождает энергию, чтобы спастись. Энтропия перенесена из идеального газа. В природе такого нет. Энтропия способствует возникновению жизни, способствует упорядоченности. Весь вопрос в структурах. Одна структура телевизор, другая – организм. Психика (мысли и чувства) решает задачи более дальнего надежного реагирования. Психика – план души. Материальный план жизни – проекция духовного плана на план души и на материю. Точка зрения Горбачева В.В. заключается в том, что из хаоса рождается развитие. Равновесие нужно для стабильности (устойчивости). Развитие идет через неустойчивость. Жизнь – упорядоченное с минимум энтропии, нежизнь – разупорядоченное с максимумом энтропии. Штеренберг полагает, что жизнь состоит из тех же атомов, что и неживое, важно выделить специфику жизни. Определение жизни с позиции Штеренберга: жизнь – активный сигнальный (информационный) способ существования систем. Неживое реагирует непосредственно, а жизнь – опережающее. Материальный план жизни может быть реализован на совершенно разных материях. Как при этом ответить на вопрос: компьютер живой? Согласно данному определению он состоит из элементов жизни. Жизнь относится к биосфере, мы не можем жить без растений т.д., мы живые элементы биосферы. Компьютер – фрагмент живого, он вписан в живой социум, обеспечивает нашу жизнь и развивается вместе с нами. Можно возразить, что компьютер эволюционирует под действием внешних факторов, однако сам не развивается. В то же время, фон Нейман доказал, что искусственный компьютер может саморазвиваться. Если для души материя безразлична, то напрасно искать такую планету, как Земля. Жизнь может существовать совершенно в любой форме, но внутренняя форма – душевный и духовный план сходны. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Литература Варфоломеев С.Д., Калюжный С.В. / Кинетика микробиологических процессов. // М., 1991. Галимов Э.М. / Природа биологического функционирования изотопов. // М., 1981. Галимов Э.М. / Феномен жизни. Между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. // М., 2001. Горбачев В.В. / Физика живого / Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. // М., 2001. Т. 2. Горбачев В.В. / Физиологическое и психологическое время в живых системах. Энтропия и информация живых систем. / Современные проблемы физики и механики. // М., 2002. Вып.5. 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. IVTN-2009: /14.01.2010 d09_20.pdf #10
