ппп. мироздание фурса. Мысли мудрецов востока
 Скачать 3.29 Mb.
|
™,ляет собой организм, но будучи205  ций многих субэлементов клетки, она, по большей части, не проявляла интереса к координирующей деятельности, которая интегрирует эти операции в формпроваиш клетки как целого. Ограничения редукцио-налистской модели со всей очевидностью проявились в проблемах развития и видоизменения клеток, попытке понять, каким образом клетки, содержащие идентичную генетическую информацию, могут специализироваться в разных направлениях, становясь мышечными клетками, кровяными, нервными и т.д.?Немецкий эмбриолог Ганс Дриш в начале XX в. выступил против механистической биологии, проводя свои уникальные эксперименты над яйцами морского ежа; это закончилось созданием первой теории витализма. Когда Дриш разрушил одну из клеток эмбриона на ранней, двуклеточной стадии, оставшаяся клетка развилась в полноценный организм. Учёный понял, что такие чудеса машине не под силу. Наблюдаемый феномен саморегуляризации Дриш объяснил влиянием на физическую сущность некой особой сущности, которая не является частью последней. На этой волне возникло оппозиционное механицизму направление, известное как школа организменной биологии, или орраппцизма. Это направление, наряду с более древним витализмом, противостоит сведению биологии к химии и физике. Обе школы утверждают, что, хотя законы физики и химии применимы к организмам, они недостаточны для объяснения феномена жизни. Виталисты постулируют существование нематериальной сущности, каузального посредника, управляющего жизненными процессами, которые не поддаются механическому объяснению. Телеология - от греческого telos («цель») - утверждает, что каузальный (связанный причинно) посредник, признаваемый витализмом, целенаправлен, что в природе существуют цель и замысел. Виталисты и организменные биологи дают совершенно разные ответы на строго поставленный вопрос: в каком смысле целое превышает сумму частей? Виталисты утверждают, что некая нематериальная сущность, сила или поле, должна дополнять законы физики и химии, чтобы жизнь смогла быть понята. Оргапизмениые биологи заявляют, что дополнительным ингредиентом долэюю стать понимание организации - «организующих связей». Поскольку эти организующие связи являют собой модели взаимоотношении, присущие физической структуре организма, организмеиные биологи утверждают, что для понимания жня ни нет нужды вводить какую-либо нематериальную сущность. Недавно зародившаяся теория живых систем призвана положить конец спорам между механицизмом и телеологией. Как мы увидим ниже, она рассматривает живую природу как сущность, наделённую интеллектом н 206 разумом, и не нуждается в признании какого-либо высшего замысла и причины. Тот неоспоримый факт, что систему нельзя понять с помощью анализа, стал величайшим шоком для науки XX в. Поведение живого организма как единого целого не может быть понято на основе изучения его отдельных частей. Свойства частей не являются их внутренними свойствами, но могут быть осмыслены лишь в контексте более крупного целого. Специалисты по молекулярной биологии докопались до фундаментальных «кирпичиков» жизни, однако это не помогло им понять интегративные механизмы деятельности живых организмов. Целое - это нечто большее, чем сумма его частей. От механистического к системному мышлению Росс Харрнсон, один из ранних представителей оргаиицизма, исследовал концепцию организации. Он определил конфигурацию (форму) и взаимосвязь как два важных аспекта организации, которые впоследствии были объединены в понятие паттерна как конфигурации упорядоченных взаимоотношений. Произошел сдвиг от функции к организации и, следовательно, от механистического к системному мышлению. Понимать вещи системно означает дословно: помещать их а какой-либо контекст, устанавливать природу их взаимосвязей. Понятие организации усовершенствовалось и превратилось в концепцию самоорганизации в современных теориях живых систем, а понимание модели самоорганизации является ключевым для понимания существенной природы жизни. Идея витализма была недавно возрождена в более изысканной форме Рупертом Шелдрейком, который, как мы уже отмечали, постулирует существование нематериальных морфогепетических («генерирующих форму») нолей кап каузальных посредников развития и поддержания биологической формы. В естественных науках наиболее важные открытия и надежды связывают с квантовой механикой. Есть надежда, что и биологические явления также смогут быть объяснены квантовой механикой в будущем, так как квантовая механика содержит все необходимые принципы взаимодействия частиц и эти принципы имеют успех в молекулярной динамике, основе жизни. Нет уверенности, однако, в том, что квантовая механика добавит одухотворённости, вдохнёт жизнь в нагромождение атомов. Субатомные частицы бессмысленны как изолированные сущности: они могут быть поняты лишь как взаимосвязи, или корреля- 207   [ми, частями организмов пли сообществами орга х компоненты объединены ме- темами - организма: низмов, - мы можем заметить, что все и- ов, - мы можем зам, жду собой по сетевому признаку. Окидывая взором жизнь, мы всегда «  сов), образуя обширную цепь. нов. Они не могут выжить в изоляции. А  вот что мы видим на других уровнях. Пчёлы и муравьи ведут се-шествующей, доступ „ ность взаимосвязей, которая тянется наружу, к другим вещам». Квантовая теория заставила нас согласиться с тем, что твёрдые материальные объекты классической физики на субатомном уровне 208 больше смахивают на волноподобпые вероятностные паттерны. Нетрудно видеть, что идея пилотной волны Бома, идущая со стороны квантовой физики, консолидируется с идеей «нематериальных морфо-генетнческпх полей» Шелдрейка, идущей со стороны биологии. Для биологии, так же как и для квантовой механики, соотношение «часть и целое» крайне важно и не тривиально. В биологии, так же как и в физике, важную роль играет нарушение симметрии. Иерархия живой природы Одной из ключевых особенностей организации живых организмов выступает её иерархическая природа - иерархически организованная система объектов разных уровней организации, каждый из которых может быть расчленён на объекты более низкого уровня; между всеми объектами системы происходит объединяющий их обмен энергией, веществом и информацией. Выдающимся свойством всякой жизни является тенденция к формированию многоуровневых структур - систем внутри других систем. Каждая из них образует целое по отношению к своим частям, в то же время являясь частью более объёмного целого. Так, клетки объединяются, формируя ткани, ткани формируют органы, а органы формируют организмы. Последние, в свою очередь, существуют внутри экологических и социальных систем. Со структурно-функциональной и информационной точки зрения, всё многообразие живого может быть подразделено на четыре уровня: клеточный (моле-кулярно-генетический); организменный (онтогенетический); видовой (популяционно-видовой); биосферный. Уровни различной сложности, и на каждом уровне применимы свои типы законов. Понятие организованной сложности стало поистине важнейшей темой системного подхода. Иерархия биоснстемы объединяет иерархию неживой материи посредством клетки и её части - генома, последовательности макромолекул, предписывающих эволюцию всех живых систем от клетки до организма. Достаточно ли количество информации, хранящейся в ДНК (если один нуклеотид - один бит информации) для того, чтобы контролировать процесс формирования взрослого организма из одной-единственной яйцеклетки в удивительно точном пространственно-временном воплощении? Более вероятно, что информация записана более эффективно, чем просто технический проект организма, а кодирование может быть более ёмким, например через цепь точек бифуркации, формирующихся в процессе роста. (О точках бифуркации мы расскажем позже.) 209  Наблюдения показывают, что на всех уровнях эволюционной иерархии, от простейших органелл до комплексных экосистем, между собой взаимодействуют только соседние уровни. Место каждой сущности (категории) на иерархическом древе и расстояние его от позиции организма, к которому она принадлежит, определяет некий диапазон этой сущности. По всей видимости, эволюционное расстояние между максимальной и минимальной частями организма определяет его способность к самовосстановлению. К примеру, если у простейшего животного, живущего в воде (Hydra oligactis), отрезать какую-то его часть, оставшиеся клетки реагируют на отсутствие части реорганизацией, дающей рост новым клеткам до полного восстановления животного. Процесс включает по меньшей мере три уровня: организм —> клетка -» клеточный компонент. У человека и других животных порезанная кожа восстанавливается, а отрезанная рука - нет. Видимо, процесс, такого типа потребует значительного потока энергии и в то же самое время огромного потока негативной энтропии, чтобы восстановить симметрию волновой функции всего организма, преобразуя волновые функции его компонентов. Плоские черви, полипы, морские звёзды могут почти полностью регенерировать свои тела из крохотных «детален»; ящерицы, саламандры, крабы, омары и многие насекомые всё ещё способны отращивать потерянные органы или конечности; однако для высших животных регенерация ограничена обновлением тканей в процессе заживления ран. Не в том ли дело, что здесь играет роль как раз это расстояние по иерархической лестнице? Каким-то образом травмированный организм должен определить масштаб повреждения, т.е. определить «объём восстановительных работ и затрат» и принять решение по восстановлению. А не замешан ли и здесь принцип Паули?Иерархия уровней живой и неживой материи1
210 Вопрос не праздный. Где проходит граница применимости принципа Паули - «главного строительного правила» - в сторону формирования молекул, клеток и, возможно, других макроскопических объектов? Кажется очевидным, что два электрона разных макроскопических объектов могут быть в одном и том же состоянии. Но реально ли такое для дй)гх электронов одной и той же молекулы? Вопрос вот в чём: что должно реально означать «иерархический уровень», следующий за атомом? Общепринятого ответа на этот вопрос нет, но если принцип Паули, сформулированным выше, верен, и вопрос состоит в том, что есть следующий иерархический уровень, - проблема требует экспериментального исследования. И это в принципе возможно. В работе Д. Хоума и Р. Чаттопадхаия предлагается использовать в качестве прибора для квантового измерения биологическую макромолекулу ДНК. Идея состоит в том, что когда фотон абсорбируется молекулой ДНК, волновая функция всей молекулы переходит из одного квантово-з состояния в другое. Но молекула ДНК сама состоит из большого количества фрагментов более мелких молекул, так что имеется альтер-штива: либо поглощение фотона изменит волновую функцию ДНК ]>тём изменения волновой функции одного из компонентов, или это изменит волновую функцию всей ДНК. В последнем случае, благодаря взаимодействию между целым и частями, поглощение фотона на од-ом конце ДНК может сразу же детектироваться на противоположном конце, по меньшей мере, в принципе. А это уже интересно. Квантовая природа возможных взаимодействий на всех уровнях иерархии может быть привлечена для понимания подобных явлений. Настоятельная необходимость изучения координирующей и интегрирующей деятельности всего генома очевидна. Лишь совсем недавно биологи пришли к пониманию генома живого организма как глубочайшим образом переплетенной сети и начали изучать деятельность этой сети, исходя из системной точки зрения. В попом, системном подходе эволюционные изменения рассматриваются как результат присущей жизни тенденции к созданию нового, причём этот процесс может сопровождаться, но может и не сопровождаться адаптацией к изменяющимся условиям. Геном рассматривается как самоорганизующаяся сеть. Стюарт Кауффман: «Мы должны переосмыслить эволюционную биологию... Большая часть порядка, который мы наблюдаем в организмах, может быть прямым результатом не естественного отбора, но естественного порядка, привилегию работать над которым получил >тбор... Эволюция - это не просто «починка на скорую руку... Это внезапно возникающий порядок, выпестованный и отточенный отбором»"'. 211 i Джеймс Лавлок: «Эволюция живых организмов настолько тесно сопряжена с эволюцией окружающей их среды, что вместе они составляют единый эволюционный процесс»'. Можно сказать, мы имеем дело с коэволюцией, обусловленной тонким взаимодействием конкуренции и кооперации, созидания и обоюдного приспособления. Итак, движущую силу эволюции (согласно новой теории) следует искать не в случайных событиях беспорядочных мутаций, но в присущей жизни тенденции к созданию нового, в спонтанном возникновении нарастающей сложности и порядка. Никакой адаптацией посредством мутаций нельзя объяснить скорость, с которой сопротивляемость лекарствам распространяется среди сообществ бактерий. Бактерии меняют до 15% генетического материала ежедневно - это говорит об очень высокой эффективности их коммуникационной сети. Сидни Бреннер, биолог: «Вероятно, неправильно считать, что вся логика сосредоточена на молекулярном уровне... Я полагаю, что в ближайшие четверть века нам придётся обучать биологов новому языку... Я ещё не знаю, как назвать его; и никто не знает...». С тех пор как Бреннер опубликовал эти комментарии, действительно возник новый язык для понимания и описания сложных высоконнтегрированных живых систем. Называют его по-разному - теория динамических систем, нелинейная динамика, сетевая динамика и т.д. Хаотические аттракторы, фракталы, диссипатпвные структуры, самоорганизация, синергетика, автопоэз - вот лишь некоторые ключевые понятия этого языка. Но еще' далеко до того времени, когда можно будет говорить о некой обобщённой и стройной системе знаний, предполагающей единый взгляд на материю, разум и жизнь. Примечания к гл. 16: /. Attaisky, М, V. On Some Algebraic Problems in Quantum Mechanical Description of Biological Systems. ArXiv: quanl-ph/0110043 v.l. 2001. Нота, D., Chattopadhvaya, R. DNA Molecular Cousin of Schrodinger's cat: A Curious Example of Quantum Measurement. Phys. Rev. Lett (1996) . 76. 2837- 2839. Кауффман. Стюарт - биохимик из института Санта-Фе. См.: 1991. Sm art Кшфпап. Antichaos and Adaptation. Scientific American; 1993. The Origins of Order: Self-Organization and Selection in Evolution. Oxford University Press, N.Y. Lovelock,.!. Healing Gaia. Harmony Books, 1991, N.Y. Глава 17 П  ринципы организации живой материиСамоорганизация Л ыотоновская наука была наукой сил и траектории. Теория эволюции Дарвина, утверждавшая поступательное развитие от низшего к высшему и эволюционное мышление, основанное на переменах, росте и развитии, не находила отражения в ньютоновской теории и требовала новой науки о сложных системах. Было что-то неудовлетворительное в дарвиновской теории эволюции, она слишком холодная и механистическая; она не отдаёт дань великолепию и тайне жизни. И такая наука появилась. Первой формулировкой этой науки стала классическая термодинамика с её знаменитым Вторым законом. Как мы уже знаем, согласно Второму закону термодинамики, впервые сформулированному французским физиком Никола Карно, любая изолированна!! или закрытая система будет спонтанно развиваться в направлении постоянно нарастающего беспорядка. В математической форме мера такого беспорядка получила название энтропия. Согласно этому же закону при совершении работы энергия рассеивается в виде тепла и не может быть полностью восстановлена. Из чего следовало, что вся мировая машина постепенно замедляет ход и в конце концов должна будет полностью остановиться. Эта зловещая картина космической деградации явила разительный контраст эволюционному мышлению биологов XIX в., которые верили в то, что живая Вселенная развивается от беспорядка к порядку, к состояниям, характеризующимся нарастающей сложностью, т.е. вопреки Второму закону термодинамики. Но закон есть закон. Кто же прав, Дарвин или Карно? Разрешить эту дилемму убедительно смог Илья Прнгожин, бельгиец русского происхождения, впоследствии Нобелевский лауреат, -только в 1970-х годах. Он использовал новый математический инструментарий и плодотворные идеи предшественников для переоценки 212 213  Второго закона, радикально переосмыслил традиционные научные взгляды на порядок и беспорядок, что позволило ему недвусмысленно разрешить конфликт двух противоположных взглядов на эволюцию, зародившихся в XIX в., и сделать великое открытие в форме теории самоорганизации дисенпапшвных структур.Среди знаменитых предшественников следует упомянуть имя нашего соотечественника, медика, философа и экономиста Александра Богданова (Александра Александровича Малиновского), которого в своё время так нещадно критиковал материалист Ульянов (Ленин). Богданов в 1912-17 гг. опубликовал новаторскую теорию систем, которую назвал тектопогиеЬ. Тектология стала первой в истории науки попыткой дать формулировку принципов организации, действующих в живых и неживых системах. Богданов, а затем и венский биолог Людвиг фон Бергаланфи (в своём труде «Общая теория систем», изданном в 1968 году) указали на то, что живые системы - это открытые системы, функционирующие вдали от равновесия. Последний удачно определил сущность устойчивого состояния как процесс метаболизма, что привело его к постулированию саморегуляции пак ещё одного ключевого свойства открытых систем. Итак, самоорганизация - это спонтанное зарождение новых структур и новых форм поведения в далёких от состояния равновесия открытых системах, которое характеризуется появлением внутренних петель обратной связи и математически описывается нелинейными уравнениями. В этом определении содержатся три общие для всех моделей особенности концепции самоорганизации. Для того чтобы осуществлялась самоорганизация, необходим непрерывный поток материи и энергии сквозь систему. Удивительное внезапное зарождение новых структур и новых форм поведения - самое важное отличительное свойство самоорганизации - возможно при том условии, что система далека от равновесия. Нелинейная взаимосвязь компонентов системы выражается в появлении петель обратной связи. Энтропия является ключевым моментом при описании самоорганизации. Увеличение энтропии соответствует переходу в более вероятностные состояния, которые являются более неупорядоченными. Энтропия - мера неупорядоченпя. Дня замкнутой неживой системы подведение тепла увеличивает беспорядок, в то время как увеличение порядка (для выравнивания энтропии) требует отвода тепла. При низших температурах в неживых системах реализуются относительно маловероятные состояния системы с малыми энергиями, соответствующие более высокой степени упорядоченности, например процесс кристаллизации. 214 Передача информации - частный случай переноса энтропии между системами. Возрастание энтропии может означать, что информация утрачивается. Энтропия и тем самым неопределённость состояния системы может уменьшаться только в системах с накачкой, экспортирующих энтропию в окружающую среду. Только в открытых системах, отдающих энтропию, информация может приобретаться. Самоорганизация связана с переработкой информации. Активные структурообразующие системы, к которым относятся живые организмы, как правило, должны обладать высокой внутренней организацией либо получать из окружающей среды высокоэнергетические вещества. В органическом мире, мире живого, самоорганизация относится к одному из основных явлений. Проблеме термодинамической интерпретации живых систем посвящены основополагающие работы Э. Шрёдингера1 и И. Пригожина2. Илья Пригожий Пригожий разработал новую нелинейную термодинамику для описания феномена самоорганизации в далёких от равновесия открытых системах. В отличие от классической, где рассеяние энергии при пере-лаче тепла, при трении и т.п. всегда связывалось с потерями, приго-жинская концепция диссипативных структур внесла радикальные перемены, показав, что в открытых системах рассеяние энергии становится источником порядка. По теории Пригожина, диссипативные структуры не только поддерживают себя в далёком от равновесия устойчивом состоянии, но могут даэке развиваться. Живой организм характеризуется непрерывным потоком и изменениями в обмене веществ, включающем тысячи химических реакций. Химическое и тепловое равновесие наступает тогда, когда все процессы прекращаются. Другими словами, организм й состоянии равновесия - это мёртвый организм. Живые организмы непрерывно поддерживают себя в далёком от равновесия состоянии. Сильно отличаясь от равновесия, это состояние тем не менее сохраняет устойчивость в течение продолжительного периода времени, что означает, что поддерживается одна общая структура и её организация, несмотря на непрекращающийся поток и изменение компонентов. По Пригожину, диссипативпые структуры | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
