Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

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.

Вприроде, в том числе и живой, присутствуют одновременно процессы, приводящие

ик 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

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

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,

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

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: Н2, O2, С и N2, 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 105 эВ, а энергия лазера, обеспечивающая его работу, — около 1012 эВ. Для живых организмов энергетически выгодно сокращение поверхности организма, которая находится в контакте с внешней средой. У высокоорганизованных

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

161

многоклеточных структур эта поверхность меньше. Таким образом, одними из главных факторов развития живого являются энергетический и организационный и их можно рассматривать во взаимном единстве.

11.4.2. Физические факторы развития живого

Организация живых систем обусловливает их эволюцию, а основным критерием их организации является эффективность использования энергии, причем эволюция должна идти как по сложности и организованности, так и по степени их функциональности, и эта функциональность играет более активную роль в эволюции, чем структура. Поэтому, организация включает в себя не только структуру, но и связи между элементами и их взаимодействие.

Так как эволюция живого идет через развитие его организации, то ее можно связать с общим законом самоорганизации материи: процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Это биологический закон дивергенции (его можно сравнить с физическим законом дивергенции — расходимостью), который понимают как «расходимость» видов. На это указывал В.А. Энгельгардт, подчеркивая, что энергетика биологических систем характеризуется двумя как будто противоположными чертами — наличием элементов многообразия, с одной стороны, и наличием элементов унификации, с другой.

268

Многообразие состоит в том, что во всех биологических процессах всегда и везде происходит преобразование энергии: превращение квантов света в потенциальную, химическую энергию органических молекул при фотосинтезе, превращение химической энергии в механическую работу при сокращении мышцы, выделение теплоты при процессах дыхания, возникновение электрических потенциалов при возбуждении нервной клетки, организация потоков движения вещества, кинетика электронов и многое другое. Унификация заключается в том, что непосредственным источником энергии, обеспечивающим все эти процессы и проявления жизнедеятельности, во всех случаях является универсальное вещество, которым является, как мы увидим, химическое соединение аденозитрифосфат (АТФ).

На рост разнообразия как одну из существенных характеристик живого обращал внимание и Н.В. Тимофеев-Ресовский: «...одно из проявлений живого состоит не в том, что нарастает масса живого, а в том, что множится число элементарных индивидуумов и особей». Разнообразие по своему существу — это гарантия устойчивого существования, отбора наиболее приспособленных организмов и нужного для развития взаимодействия с окружающей средой. Распространяя принцип биологического разнообразия на социальную и духовную сферы жизни, известный российский литературовед Ю.М. Лотман предложил простую, но глубокую формулу жизни: «...мы живем, потому что мы разные». Иначе, в условиях полной одинаковости (тождественности — в физике), попросту не было бы развития и нас самих. В методическом плане идея необходимости разнообразия означает признание безграничности способов познания действительности, физических моделей ее представления, которые должны соответствовать неисчерпаемости самой природы.

Структура живого организма тесно связана с его функциональностью, что коррелирует и с упомянутыми в § 2.7 принципами оптимальности.

Живой объект реально выступает как

• неразрывное единство структуры и функции вещества и действия.

В этом смысле клетка как элементарная частица биологии на клеточном уровне организации живого, по мнению Э. Хилла, «не столько вещество, сколько процесс,

непрерывная цепь удивительным образом связанных между собой событий». Образно говоря, она сама «живет», так же, как «живут» и хаос, и самоорганизующаяся система в любых сложных объектах живой и неживой

269

природы (например, в пламени факела, огня, в неустойчивом потоке воды, газа и т.д.). Поэтому высокоорганизованная живая система выстраивает иерархию своей структуры, создает и контролирует функциональные действия и процессы в ней. Упорядоченность живого организма отличается от упорядоченности объектов неживой природы, например кристаллов, где она характеризуется минимумом свободной энергии. Там это — упорядоченность «кладбища», в то время как упорядоченность структуры живого организма в процессе жизнедеятельности есть, по образному выражению Б.М.

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.