Московский государственный университет печати

Горбачев В.В.


         

Концепции современного естествознания. В 2 ч.

Учебное пособие


Горбачев В.В.
Концепции современного естествознания. В 2 ч.
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Часть I

Предисловие

1.1.

Введение

1.1.1.

Этапы развития и становления естествознания

1.1.2.

Общие проблемы естествознания на пути познания Мира

1.2.

Механика дискретных объектов

1.3.

Физика полей

1.4.

Теория относительности Эйнштейна - мост между механикой и электромагнетизмом

1.4.1.

Физические начала специальной теории относительности

1.4.2.

Общая теория относительности

1.5.

Основы квантовой механики и квантовой электродинамики

1.6.

Физика Вселенной

1.6.1.

Модели происхождения Вселенной

1.6.2.

Современные модели элементарных частиц как первоосновы строения материи Вселенной

1.6.3.

Фундаментальные взаимодействия и их мировые константы

1.6.4.

Модель единого физического поля и многомерность пространства-времени

1.6.5.

Устойчивость Вселенной и антропный принцип

1.6.6.

Ньютоновская модель развития Вселенной

1.6.7.

Антивещество во Вселенной и антигалактики

1.6.8.

Механизм образования и эволюции звезд

1.7.

Проблема «порядок-беспорядок» в природе и обществе

1.8.

Симметрия и асимметрия в их различных физических проявлениях

1.9.

Современная естественнонаучная картина мира с точки зрения физики

2.

Часть II. Физика живого

Введение

2.1.

От физики существующего к физике возникающего

2.1.1.

Термодинамические особенности живых систем

2.1.2.

Энергетический подход к описанию живого

2.1.3.

Уровни организации живых систем и системный подход к эволюции живого

2.1.4.

Физическая интерпретация биологических законов

2.1.5.

Пространство и время для живых организмов

2.1.6.

Энтропия и информация в живых системах

2.2.

Физические аспекты и принципы

2.2.1.

От атомов к протожизни

2.2.2.

Химические процессы и молекулярная самоорганизация

2.2.3.

Биохимические составляющие живого вещества

2.2.4.

Клетка как «элементарная частица» молекулярной биологии

2.2.5.

Роль асимметрии в возникновении живого

2.3.

Физические принципы воспроизводства и развития живых систем

2.3.1.

Информационные молекулы наследственности

2.3.2.

Воспроизводство и наследование признаков

2.3.3.

Процессы мутагенеза и передача наследственной информации

2.3.4.

Матричный принцип синтеза информационных макромолекул и молекулярная генетика

2.4.

Физическое понимание эволюционного и индивидуального развития организмов

2.4.1.

Онтогенез и филогенез. Онтогенетический и популяционный уровни организации жизни

2.4.2.

Физическое представление эволюции. Синтетическая теория эволюции

2.4.3.

Аксиомы биологии

2.4.4.

Признаки живого и определения жизни

2.4.5.

Физическая модель демографического развития С.П. Капицы

2.5.

Физические и информационные поля биологических структур

2.5.1.

Физические поля и излучения функционирующего организма человека

2.5.2.

Механизм взаимодействия излучений человека и окружающей среды и возможности медицинской диагностики и лечения

2.5.3.

Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в организме

2.6.

Физические аспекты биосферы и основы экологии

2.6.1.

Структурная организованность биосферы

2.6.2.

Биогеохимические принципы В.И. Вернадского и живое вещество

2.6.3.

Физические аспекты эволюции биосферы и переход к ноосфере

2.6.4.

Физические факторы влияния Космоса на земные процессы

2.6.5.

Физические основы экологии

2.6.6.

Принципы устойчивого развития

Контрольные вопросы

Литература

Темы курсовых работ, рефератов и докладов

Вопросы к зачету и экзамену

Словарь терминов

Указатели
690   именной указатель
3016   предметный указатель
58   указатель иллюстраций
Рис. 1.6.5. Масштабы Вселенной Рис. 1.6.6. Масштабы микромира

Жизнь - это тема детективного
романа, всегда прерывающаяся
на самом интересном месте.

В.Я. Александров

Непостоянно все, что в мире есть,
К тому ж изъянов в том, что есть, не счесть.
Поверь же в то, что сущее незримо
И признано все то, что зримо здесь.

Омар Хайям

Переходя к описанию представлений о живом, мы затрагиваем самый глубинный вопрос нашего бытия в реальном физическом мире, который наряду с Проблемапроблемами происхождения Вселенной и Человека волнует человечество с тех пор, как появился РазумРазум. Эта проблема неоднократно обсуждалась на всех уровнях науки и ответы в соответствии с существующими представлениями были разными. К сожалению, и сейчас современная Науканаука не может дать окончательного ответа на вопрос, что такое Жизнь. Это вовсе не означает, что не существует возможных вариантов ответов. Они безусловно есть, в том числе и приближающиеся, казалось бы, к истине, но это скорее характеристики или отличительные признаки живого, описывающие ту или иную сторону определения.

А ведь понимание сущности жизни, ее возникновения и эволюции определяет все будущее человечества на Земле как вида живого. Конечно, в настоящее время накоплен огромный фактический материал, есть его осмысление, особенно в области молекулярной Биологиябиологии и Генетикагенетики, есть схемы или модели развития, есть даже практическое Клонклонирование человека, но... нет ответа. Ближе всего к разгадке тайны подошла современная биология, но, как справедливо заметил Тимофеев-Ресовский Н.В.Н.В. Тимофеев-Ресовский, «в настоящее время никакой теоретической биологии, сравнимой с теоретической физикой, нет» [ссылка на источники литературы].

Более того, биология сообщает множество интересных и важных подробностей о человеке, упуская что-то принципиальное. Мы помним из первой части нашего курса, что само слово «физика», по Аристотелю, означает «физис» - природа. Так, может быть, ответ о сущности живой природы дает тоже физика? Действительно, вся материя Вселенной, а следовательно мы сами, состоит из атомов и молекул, для которых уже получены количественные и в целом правильные Законзаконы их поведения, в том числе и на квантово-молекулярном уровне.

Тем более [ссылка на источники литературы], что физика была и остается важным фактором общего развития человеческой культуры в целом. В этом смысле физика как феномен культуры, а не только как область знания, создает наиболее близкое для биологии социокультурное понимание, ощутимое без и до Рефлексиярефлексии знания. Вероятно, именно в физическом познании отражены стили мышления. Логико-методологические аспекты познания и самой естественной науки, как известно, почти целиком основаны на опыте физических наук.

Поэтому задача научного познания живого, может быть, и состоит в обосновании возможности применения физических моделей и представлений к определению развития природы и Обществообщества также на основе физических закономерностей и научного анализа получаемых знаний о механизме процессов в живом организме. Как говорил еще 25 лет тому назад Волькенштейн М.В.М.В. Волькенштейн [ссылка на источники литературы], «в биологии как науке о живом возможны только два пути: либо признать невозможным объяснение жизни на основе физики и химии, либо такое объяснение возможно и его надо найти, в том числе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля».

По-видимому, все-таки истинное толкование биологических явлений - атомно-молекулярное. Постановка и решение проблемы Генетический кодгенетического кода, раскрытие молекулярной природы Наследственностьнаследственности и Изменчивостьизменчивости в конечном счете сводятся к квантово-механической трактовке этих явлений. Можно предположить, что в природе, неживой (Косное вещество«косной», по Вернадский В.И.В.И. Вернадскому) и живой, управляют единые законы, только механизм их проявления разный. Это особенно стало ясно после использования синергетических идей в самоорганизации сложных систем. Поэтому применение физических моделей к проблемам живого, на наш взгляд, вполне правомерно и рассматривается в этой части учебного пособия.

Естественно, при этом будут даны современные представления о процессах в живых организмах, специфике установленных законов их развития и возникновения самой жизни не только с позиций постнеклассической физики, но и рассматриваемого в нашем пособии холистического подхода. Для более углубленного и подробного ознакомления с современной биологией необходимо будет обратиться к соответствующей литературе, список которой дан в конце пособия, там же, по нашей традиции, приведен словарь терминов, используемых в этой части пособия.

И еще. Хотелось бы, чтобы любознательному читателю, для коего и пишется эта книга, было ясно, что эту проблему одной физикой, одним разделом науки не решить. Да, появились некие, в том числе и физические, принципы, не противоречащие основным открытым Законзаконам. (А это, кстати, очень важно для истинности настоящей науки!) Но в целом феномен живого пока ускользает от нашего понимания. Может быть, чтобы понять его, как и общую картину мира, надо отойти от частных наук. Большое видится на расстоянии и со временем... Как остроумно заметил блистательный Тимофеев-Ресовский Н.В.Н.В. Тимофеев-Ресовский [ссылка на источники литературы], «мы все такие материалисты, что нас всех безумно волнует, как возникла жизнь. При этом нас почти не волнует, как возникла материя. Тут все просто. Материя вечна, она всегда была и не нужно никаких вопросов. Всегда была. А вот жизнь, видите ли, обязательно должна возникнуть. А может быть, она тоже всегда была. И не надо вопросов, просто всегда была, и все».

Кстати, автор основополагающего принципа современного естествознания, принципа дополнительности, Бор Н.Х.Д.Бор считал, что биологические объекты настолько сложны, что принципиально невозможно рассмотреть их только с позиций квантовой механики и поэтому жизнь необъяснима с этой точки зрения и должна рассматриваться как первичный постулат, подобно Кванткванту действия (постоянной Планка) в квантовой механике. Поэтому вторая часть пособия «Концепции современного естествознания» еще более отличается от классического структурированного, «студенческого» учебника, это приглашение к совместным раздумьям на поле современной науки. Как сказал великий Омар Хайам:

В этом мире ты мудрым слывешь.

Ну и что?

Всем пример и совет подаешь.

Ну и что?

До ста лет ты намерен прожить. Допускаю,

Может быть, до двухсот проживешь.

Ну и что?

Жизнь - это искусство
делать верные выводы из
неверных посылок.

С. Батлер

Наша жизнь есть то,
что мы о ней думаем.

Марк Аврелий

В первой части курса мы попытались дать свое объяснение Законзаконов природы на основе имеющихся физических представлений, или, следуя терминологии Пригожин И.Р.И.Р. Пригожина [ссылка на источники литературы], физики необходимого и существующего. Эта физика, основанная главным образом на понятиях классической и квантовой механики, равновесной термодинамики и в какой-то степени Космомикрофизикакосмомикрофизики, в определенные моменты развития человеческого Разумразума давала ответы на вопросы о происхождении и эволюции Универсум Универсума. Под Универсумом понимается существующий и доступный нашему наблюдению мир, который можно рассматривать как целое. Согласно Моисеев Н.Н.Н.Н. Моисееву [ссылка на источники литературы], «все, что лежит вне Универсума, не существует и относится к вере, т.е. находится вне науки и практического опыта».

Однако, как мы неоднократно убеждались, многие системы неживой и особенно живой природы требуют принципиально другого подхода к ним как сложным самоорганизующимся объектам, в которых идут неравновесные нелинейные процессы когерентного характера. Поэтому можно считать, что представления предыдущей физики хотя и были правильными, необходимыми, но тем не менее имели известные ограничения, задаваемые физическими моделями, и поэтому подчас были недостаточными. Была физика существующего, но она не описывала адекватно физику возникающего, не могла дать правильную оценку развитию будущего. В частности, физике были чужды идеи исторического развития, круговорота веществ в природе, не рассматривались память систем, влияние будущего на настоящее, созидающая роль хаоса и его взаимоотношения с порядком, разное понимание времени, сущности живого и другие вопросы, которые физика фактически отдала или другим наукам, или Теологиятеологии. Тем не менее, сейчас она должна их перед собой ставить и пытаться решить.

В значительной мере этот переход от физики существующего к физике возникающего в настоящее время осуществляется за счет использования представлений о самоорганизации. Сейчас предпринимаются попытки на базе современных физических моделей объяснить возникновение и развитие различных изменений в сложных объектах Косное веществокосной и живой природы, т.е. привнести в описательные науки о природе и живом (географию, геологию и др.) некие физические начала. В этом смысле физику живого можно рассматривать как феномен постнеклассической физики.

Как известно, долгое время Прерогативапрерогатива в решении этих вопросов принадлежала Биологиябиологии, однако с развитием ее теоретической базы и возникновением молекулярной биологии и молекулярной Генетикагенетики удалось физико-химическими причинами объяснить механизмы Организацияорганизации и передачи Генетический кодгенетического кода и синтеза клеток, Белокбелков, Аминокислотааминокислот и других важных для жизни молекулярных соединений. Это приводит к возможности физического объяснения биологических процессов на основе общих закономерностей, как классических представлений о строении вещества и его взаимодействии через поля, так и понимания неравновесных нелинейных процессов самоорганизации в сложных физико-химических системах, какими являются живые организмы.

Необходимо подчеркнуть, что такой подход не означает механистическое приложение и использование количественных законов физики в этих описательных компонентах нашего Знаниезнания о живой природе, а является шагом вперед в понимании эволюции мира и зарождения жизни с позиции физики. В рамках такого подхода мы можем использовать весь аппарат естественнонаучных Методметодов познания и холистического подхода современного естествознания к описанию всего сущего, исключая возможность применения псевдофилософских и Теологиятеологических строений.

На самом деле осмысление того, что происходит во Вселенной, в самом Человеке, осознание своей причастности к Универсуму и своего положения в нем в значительной мере определяются пониманием самой сущности жизни, и физика сейчас уже не может игнорировать эти вопросы.

Жизнь больше не выглядит как островок
сопротивления второму началу термодинамики
или как деятельность каких-то демонов
Максвелла. Она возникает теперь как
следствие общих законов физики.

И. Пригожин

Еще в 1945 г. один из отцов-основателей квантовой физики Шредингер Э.Э. Шредингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» [ссылка на источники литературы] попытался дать общие соображения о термодинамике жизненных процессов. Кстати, эта работа подтолкнула многих физиков заниматься Биология молекулярнаямолекулярной биологией, а некоторых привела и к Нобелевской премии. Основная идея Шредингера заключалась в том, что «живая материя уклоняется от деградации к равновесию». Но равновесие в изолированной, замкнутой системе характеризуется в рамках классической термодинамики максимумом энтропии. Значит, если система «уклоняется» от равновесия, то она должна постоянно компенсировать производство энтропии какой-то энергией, с точки зрения физики - своей свободной энергией:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, (2.1.1)

где F - свободная энергия, S - энтропия, U - внутренняя энергия системы, TS - связанная энергия. Из (2.1.1) следует, что энергия состоит из свободной и связанной энергии.

Свободная энергия - часть внутренней энергии, за счет которой может совершаться работа, а связанная энергия через первое начало термодинамики <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
определяется теплотой <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
и не может быть превращена в полезную работу <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Связанная энергия, которая рассеивается в окружающее пространство, как раз и характеризуется энтропией S. Формула (2.1.1) определяет свободную энергию по Гельмгольц Г.Л.Ф.Гельмгольцу, а свободная энергия, по Гиббс Дж.У.Гиббсу,

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.1.2)

где H - энтальпия, или теплосодержание.

Кстати, из этих идей Шредингер Э.Шредингера и формулы (2.1.1) следует, что Шредингер неявно, но предполагал, что живой организм - это открытая система, обменивающаяся с Окружающая средаокружающей средой, как мы теперь уже знаем, энергией, материей и информацией.

Как нам известно из физики существующего (первая часть курса), все превращения энергии описываются термодинамическими Законзаконами, которые при правильно сформулированных физических ограничениях и адекватных физических моделях применимы и для жизненных процессов. Уже из этого простого физического соотношения (2.1.1) вытекает представление, что уменьшение энтропии (возникновение отрицательной энтропии - негэнтропии, по Шредингеру) в живом организме при взаимодействии его с окружающей средой связано с ростом свободной энергии. А термодинамика («властная тетка!» из главы 1.7) говорит, что увеличение свободной энергии происходит с упорядочением системы, ее усложнением и отклонением от равновесия.

Сам Э. Шредингер считал, что живые организмы «извлекают упорядоченность из Окружающая средаокружающей среды», питаются структурированной, упорядоченной пищей, а отдают природе менее структурированные «отходы производства» своей жизнедеятельности. Биологи это общее положение развивают как возникновение специфической упорядоченности для разных видов животных («волчья» и «заячья» упорядоченность, по Медников Б.М.Медникову [ссылка на источники литературы]). Сначала поступающая пища расщепляется до низкомолекулярных веществ: Аминокислотааминокислот, Углеводыуглеводов, сахаров и т.д., общих для всей живой природы, а затем за счет поглощения энергии извне из «элементарных кирпичиков» жизни организмы строят присущие лишь им Белокбелки. Поэтому каждому организму и характерна неповторимая, именно ему присущая комбинация белковых молекул, своя специфичная упорядоченность.

Таким образом, Природа живаяживая природа избегает повышения энтропии и повышает ее в Окружающая средаокружающей среде при Общениеобщении живого организма с ней. ЭнтропияЭнтропия - «омертвленная» энергия, которую нельзя превратить в работу. Вспомним еще раз, что по законам классической термодинамики в изолированных системах тепло полностью не переходит в работу, оно рассеивается, т.е. процесс идет от порядка к хаосу. Для живых организмов как открытых систем, с физической точки зрения, акт творения живого будет состоять «в спонтанной трансформации тепловой энергии необратимых Флуктуацияфлуктуаций в целенаправленную механическую работу создания высокоорганизованной системы» [ссылка на источники литературы] именно за счет свободной энергии. Следовательно, динамическая неравновесность живых систем уже по определению, как говорят в точных Науканауках, свидетельствует об их непременной упорядоченности, так как равновесие соответствует беспорядку, хаосу и это равновесие приводит к смерти живого организма, когда энтропия его максимальна.

Энтропия, как нам известно, выступает как мера хаоса, неопределенности усреднения поведения объектов, установления стабильного состояния и даже определенного единообразия. Надо отметить, что простые примеры из жизни биологических объектов показывают, что они не хотят подчиняться термодинамическому закону для изолированных систем. Одним из биологических законов развития является как раз разнообразие видов и разновидностей различных организмов, что неумолимо должно приводить к уменьшению энтропии в живых системах. Кстати, гипотетическое появление белой вороны в стае черных также означает уменьшение энтропии стаи. А увеличение неопределенности в статистических хаотических состояниях с максимальной энтропией - враг номер один для человека: возникают психическая напряженность, дискомфорт, неудовлетворенные потребности, отрицательные Эмоцияэмоции. Поэтому наш организм и стремится минимизировать именно энтропию.

Для материальных объектов неживой природы при небольших отклонениях от равновесия даже для нестационарных процессов в рамках классической термодинамики между потоками вещества и силами, вызывающими движение этих потоков, существуют линейные связи, так называемые соотношения Онзагера

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.1.3)

где <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
- поток, <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
- термодинамическая сила, <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
- линейный коэффициент.

Оказалось, что для сложных самоорганизующихся объектов живой природы процессы обмена веществом и энергией с Окружающая средаокружающей средой неравновесны макроскопически, идут при наличии большого градиента концентраций химических веществ, температуры, электрических потенциалов, давления, а не подчиняются соотношениям (2.1.3). Коэффициенты <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
становятся нелинейными. Поэтому и сама Самоорганизациясамоорганизация живых организмов является нелинейным процессом.

Как мы уже обсуждали в главе 1.7, уравнения, описывающие такую систему, являются, естественно, Нелинейные уравнениянелинейными и множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции живой системы, которые и описываются этими нелинейными уравнениями. Возникновение Нелинейностьнелинейности связано с усилением Флуктуацияфлуктуаций процессов, изменением пороговой чувствительности к управляющим параметрам, появлением Бифуркациябифуркаций и неожиданностью изменений направлений течения процессов при дискретности возможных путей эволюций. Такие представления полностью вписываются в рамки теории самоорганизующихся сложных систем как неживой, так и живой природы. Заметим, что так же, как и ранее, под самоорганизацией мы понимаем установление в неравновесной диссипативной среде пространственных структур, которые могут развиваться и во времени. Параметры их определяются уже свойствами самой среды и мало зависят от источника неравновесности в виде потоков энергии и вещества, начального состояния среды и условий на границах.

Мы видим, таким образом, что неустойчивость становится одним из главных факторов развития самоорганизующихся систем, в том числе и биологических. Она началась из хаотического состояния, но Законзаконы неравновесной термодинамики привели ее к направленному ходу. СтановлениеСтановление новых форм происходит тогда, когда система в ходе своих внутренних перестроек и усложнений приобретает признаки неустойчивости. Это приводит к качественным изменениям через точки бифуркации, и характер этого механизма именно нелинейный. Причем под неустойчивостью можно понимать и возникновение режимов сверхбыстрого нарастания развития («режимы с обострением») процессов с нелинейной положительной связью, а не просто попадание системы в точки бифуркации. Кстати, понятие бифуркаций (для гуманитариев, по Тютчеву, «минут роковых») вводит в физико-химическую основу биологических явлений представление об истории и памяти, элементы которых прежде считались вотчиной социальных и других гуманитарных наук.

Что же касается биологической Изменчивостьизменчивости и приспособляемости живых организмов в рамках понятий самоорганизации, то моно сказать, что те живые системы, которые не смогли охватить диапазон жизненно важных воздействий внешней среды на них, попросту вымерли, не выдержав борьбы за существование. На их могилах можно было бы написать, по образному выражению Молчанов А.О.А.И. Молчанова: «Они были слишком линейны для этого мира» [ссылка на источники литературы].

Возвращаясь к энергетическим представлениям в объяснении феномена живого, отметим еще раз, что для устойчивого состояния характерно минимальное производство энтропии, а для неустойчивого стационарного состояния - максимальное ее производство. Как это связать с рассмотренным в первой части пособия принципом производства минимума энтропии Гленсдорфа - Пригожина? Объяснение этого состоит, по-видимому, в том, что развитие организма идет через неустойчивости, но в целом он стремится сохранить свою стабильность, упорядоченность на макроскопическом уровне запасенной свободной энергии, «выкинув» ненужный ему избыток Энтропияэнтропии в Окружающая средаокружающую среду.

Живой организм - это открытая система, но если ее рассматривать вместе с внешней средой, то они образуют общую закрытую систему, в которой в целом, согласно даже классической термодинамике, энтропия возрастает при усложнении живого. Физический Закон сохранения энергиизакон сохранения энергии работает и здесь. В живом организме уменьшается Энтропияэнтропия при росте свободной энергии, которая нужна для энергетических процессов в нем, а в окружающей среде она растет. Закон сохранения энергии вместе с законом сохранения вещества определяют также постоянный круговорот веществ и энергии между неорганической (Косное веществокосной) и органической (живой) материей на Земле.

Живое веществоЖивое вещество после прекращения своей деятельности отдает неживому все, что оно у него взяло, и общая масса и энергия не изменяются. Всякий раз, когда энергия переходит из одной формы в другую, она утрачивает часть своей способности производить полезную работу, подобно тому как сгорание горючей смеси в двигателе автомобиля не полностью переходит в полезное его движение - часть освобождающейся энергии действительного приводит автомобиль в движение, а часть - теряется, бесполезно для движения рассеивается через радиатор и выхлопную трубу в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

Следовательно, при всяком превращении энергии энтропия возрастает. Отсюда можно сделать два вывода. Первый - энтропия для живого организма не нужна, для выполнения его целевых функций нужна свободная энергия и он за нее «борется», а ненужную, бесполезную для него энтропию «сбрасывает» в окружающую среду. И второй - из этого же термодинамического подхода следует, что для выполнения любой работы необходим избыток энергии. Взаимоотношение между свободной и связанной энергией наглядно выразилПригожин И.Р. И. Пригожин [ссылка на источники литературы]: «Структура формулы (2.1.1) отражает конкуренцию между энергией и энтропией».

Таким образом, все Спонтанныйспонтанные процессы природы. в том числе и ее Самоорганизациясамоорганизация, осуществляются посредством энергетических механизмов, которые подчиняются физическим законам. «Биоэнергетика - основное свойство всего живого», - подчеркивал Вернадский В.И.В.И. Вернадский. Встает вопрос: откуда берется энергия в природе? Первичным началом является лучистая энергия Солнца, а источником энергии для всех видов активности живых организмов служат питательные вещества - органические молекулы. Они содержат энергию, запасенную в химических связях между атомами и освобождаемую для полезной организму работы при разрыве этих связей, т.е. при участии электронов, а они, как известно, одинаковы и для живой и неживой природы.

Энергия, которой обладает
Разум, неисчерпаема.

В.И. Вернадский

Энергия есть главная
движущая сила эволюции.

Р. Фокс

На основе энергетических представлений сейчас развивается так называемый энергетический подход к объяснению явлений жизни, развитый в работах Тимирязев К.А.Тимирязева, Вернадский В.И.Вернадского, Бауэр Э.Бауэра, Шредингер Э.Шредингера и других ученых [ссылка на источники литературы]. В энергетическом цикле жизни происходят сложные, в том числе Окислительно-восстановительные реакцииокислительно-восстановительные, химические реакции, в основе которых лежат кинетические процессы движения электронов. Живые организмы представляют собой системы с малой структурной энтропией, причем они находятся в неравновесных условиях взаимодействия с Окружающая средаокружающей внешней средой. В изолированных объектах неживой природы устойчиво их равновесное состояние с минимумом свободной энергии и максимумом энтропии.

Объекты живой природы являются открытыми системами, в них могут возникать устойчивые неравновесные состояния, за счет которых энергия структуры живой материи превращается во внутреннюю и внешнюю работу. Обмен живых организмов веществом и энергией с окружающей средой способствует росту свободной энергии и отрицательной энтропии в них, т.е. оттоку энтропии из организма, и тем самым поддерживается их неравновесное состояние. Таким образом, целевое назначение взаимодействия со средой состоит в освобождении организма от положительной энтропии (а она, как мы уже понимаем, неизбежно образуется при превращениях энергии в живых организмах) и, в качестве компенсации, извлечении из окружающей среды отрицательной.

Происходит, по выражению Волькенштейн М.В.М.В. Волькенштейна, «экспорт энтропии» из живых организмов. Или, если исходить из всеобщего Закон сохранения энергиизакона сохранения энергии, увеличение свободной энергии живого организма. Нам уже известно, что чем выше энтропия, тем больше беспорядок. Поэтому уже из энергетических представлений ясно, что живой организм должен быть структурно упорядочен, но характер процессов в нем должен быть неравновесен, нестационарен 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. Вспомним пригожинское определение диссипативных структур как новых стационарных состояний, стабилизирующихся в результате обмена веществом и энергией открытых систем с Окружающая средаокружающей средой при необратимых процессах вдали от равновесия в нелинейной области, когда параметры системы превышают определенные критические значения. Как было остроумно замечено Алексеев Г.Н.Г.Н. Алексеевым [ссылка на источники литературы], 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). А как отмечал Ауэрбах Ф.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» [ссылка на источники литературы]. ЭнтропияЭнтропия, 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, т.е. Эволюцияэволюция, 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 борьба живого с энтропией. Конечно, надо осторожно относиться к прямому 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 Сноу Ч.Ч. Сноу [ссылка на источники литературы], и физика, и писателя, равносильно незнанию произведений Шекспир В.В. Шекспира.

Такие идеи высказываются не только физиками, но и биологами. Так, еще в 1935 г. Э. Бауэр [ссылка на источники литературы] предложил механизм Биологическая эволюциябиологической эволюции, основанный на представлении, что живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет свободной энергии постоянную работу против равновесия, т.е., по существу, до появления энергетики 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 Энгельгардт В.А.В.А. Энгельгардта [ссылка на источники литературы], образование сложных биологических структур происходит с уменьшением энтропии и увеличением свободной энергии. Это физическое требование выступает как ведущий фактор структуризации живых систем на молекулярном уровне.

Бауэр ввел для живого организма также понятие устойчивого термодинамического неравновесия, которое проявляется при наличии трех условий. Во-первых, само наличие свободной энергии. проявляющееся («разряжающееся», по Бауэр Э.Бауэру) без всякого внешнего воздействия, т.е. свойства Спонтанныйспонтанной деятельности организма. Во-вторых, реакция на внешние воздействия, выравнивающая градиент энергии и восстанавливающая его первоначальное значение (в биологическом понимании - это свойства раздражимости и возбудимости). Третье условие связано как раз с накоплением свободной энергии путем работы против факторов, ведущих к равновесию, что в Биологиябиологии означает свойства целесообразного поведения и приспособительной деятельности.

А что означает с точки зрения физики целесообразное поведение (на языке философии - целевая функция) системы? Ответ на этот вопрос, как и на многие другие вопросы современного естествознания, пока не является однозначным. С одной стороны, это выполнение этой системой основных физических законов, прежде всего законов сохранения условий, состояния устойчивости и стабильности системы. Для человека, с общебиологической точки зрения, - это устойчивое стабильное состояние, существование его как вида, т.е. сохранение человеческой жизни на Земле.

Это хорошо вписывалось в физический менталитет классической физики - постоянство физических сущностей. Но этот 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 Парадокспарадокс 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 Пригожин И.Р.И.Р. Пригожина [ссылка на источники литературы], оно обретает новые свойства: в равновесии оно «слепо», в сильно неравновесных процессах - «прозревает»!

Биологическая эволюцияБиологические законы эволюции Дарвин Ч.Дарвина (Изменчивостьизменчивость, Наследственностьнаследственность, Естественный отборестественный отбор) и даже более общие принципы развития Универсума по этой триаде также могут быть наполнены физическим смыслом. Изменчивость (физически - 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 Законзаконы (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 нам законов Ньютон И.Ньютона, которые и являются простейшими принципами отбора для механики Ньютона - Галилея. Кстати, 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, как мы знаем, - это законы сохранения количества движения, энергии и момента количества движения.

Поэтому синергетика обогащает и физику возникающего, и биологию своими представлениями. Например, ту же наследственность можно представить как память системы. Нелинейное развитие случайных процессов через Бифуркациябифуркации 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.

Недостаточное знание - опасная
вещь. Пей вволю из его источника
или вовсе к нему не подходи.
Выпьешь мало - опьянеешь.
Выпьешь много - отрезвеешь.

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

Несколько позже биолог фон Берталанфи Л. (фон)Берталанфи [ссылка на источники литературы] развил представления о неравновесности живого организма, введя, кстати, термин, ныне широко используемый в синергетике, «открытые системы». Он рассматривал стационарные состояния в неравновесной живой системе, которые он 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 Биологиябиологии он предложил и использовал Методметод системного анализа, активно применяемый сейчас в науке и технике. В частности, им высказана идея, что системная Организацияорганизация - основа точной биологии. Организм Организм - пространственное целое, проявляющееся во взаимодействии частей и частных процессов. Процессы в живом организме обусловливаются целостной пространственной системой, подчиненной жесткой иерархии.

Концепция структурных уровней дает возможность описать живые организмы не только 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 органично сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия.

Различают следующие уровни организации биологических структур: самоорганизующиеся комплексы, Макромолекулабиомакромолекулы, Клеткаклетки, многоклеточные организмы [ссылка на источники литературы]. Тимофеев-Ресовский Н.В.Н.В. Тимофеев-Ресовский приводит другую классификацию уровней: клеточный. молекулярно-генетический, организменный, популяционно-видовой и биогеоценозный [ссылка на источники литературы]. Существует и другая градация: молекулярный, клеточный, тканевый, организменный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический и биосферный. Системно-структурные уровни организации живого определяются по выделенным специфическим взаимодействиям. На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления.

Элементарная едиинца Элементарная единица - это Структураструктура, закономерное изменение которой приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне является Генген, на клеточном уровне - Клеткаклетка. На организменном уровне - особь, на популяционном уровне - совокупность особей одного вида - Популяция популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса.

Более подробное рассмотрение этих уровней организации отложим до соответствующих разделов этой части курса, а здесь отметим Аналогияаналогию с физической шкалой размеров и масс (рис. Рис. 1.6.5. Масштабы Вселенной Рис. 1.6.6. Масштабы микромира), дискретностью энергетических уровней в квантовой механике и то, что такая классификация уровней организации живого хорошо вписывается в концепцию квантовой лестницы природы, по Вайскопф В.Ф.Вайскопфу, и развивает дальше ее четвертую ступень.

Важным является то, что переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно, дискретно, в соответствии с основными принципами квантовой механики, и такие переходы в физическом представлении есть неравновесные фазовые переходы, которым в синергетике соответствуют бифуркации. Механизм перехода в понятиях синергетики реализуется через хаотические состояния, и через него реализуется связь разных уровней Организацияорганизации. В точках бифуркации малое случайное изменение может привести к сильному возмущению системы и возникает фазовый переход. Кстати, и гибель живого организма можно рассматривать как фазовый переход «жизнь - не жизнь».

Представления о целом и части, используемые не только в системном анализе, но и в философии, полезны в применении их к физике живого, поскольку живым организмам присущи гармоническая иерархичность и целевая функция [ссылка на источники литературы]. Действительно, рассматривая любые явления и свойства живой и неживой природы, мы обязательно сталкиваемся с проблемой 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 - также находит свое отражение в понятиях «ян» и «инь» восточной философии и в применении идеи Золотое сечение«золотого сечения», как это мы уже рассматривали в главе 1.7.

Математическим же обоснованием гармонического соотношения частей организма, его соразмерности и порядку, и необходимому организму хаосу, обусловленности пространственно-временного и функционального взаимодействия органов, например человека, и процессов в его организме является метод Фибоначчи (Пизанский Л.)Фибоначчи. Числа ряда Фибоначчи, связанные с параметрами жизненных процессов, отражают не только изменение и устойчивость живого организма, но и его энергетический баланс, определяющий развитие.

Различие в процессах самоорганизации в неживых и живых системах, как отметили Пригожин И.Р.И. Пригожин и Стенгерс И.И. Стенгерс [ссылка на источники литературы], заключается в том, что молекулы неорганического мира, участвующие в сложных химических реакциях, просты, в биологической же самоорганизации реакции достаточно просты, а молекулы становятся Макромолекуламакромолекулами: укрупняются и усложняются. Это обусловлено тем, что происходит переход структуры реакций, процесса в структуру элементов - молекул, т.е. процесс закрепляется в структуре. Взаимоотношение между структурой и процессами отражает уже приводимый нами известный Законзакон единства и борьбы противоположностей, закон единства сохранения и изменения, 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 [ссылка на источники литературы].

По существу, ряд Фибоначчи становится системообразующим фактором гармонической самоорганизации живого организма. В этом смысле Эволюция эволюция - как раз не просто Адаптацияадаптация организма к внешним условиям, а стремление его 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 красота строения и целесообразность его функций и действий давно уже отмечены в коллективном опыте человечества. Интересно, что рекурсивный (возвратный: каждое последующее число ряда Фибоначчи является суммой двух предыдущих) характер этого гармоничного ряда в применении к живым организмам позволяет учитывать память о предыдущих поколениях.

Заметим также, что с гармонией развития организма, как целого, так и его частей, хорошо согласуется известный нам универсальный для всего современного естествознания принцип дополнительности Бора. Применительно к рассматриваемой проблеме он отвергает возможность понимания жизни и ее эволюции путем вычленения и рассмотрения отдельных частей организма: определяя более точно одну сторону живого объекта, мы теряем определенность в понимании другой [ссылка на источники литературы].

Кстати, согласно этому же принципу, можно высказать и парадоксальную мысль: познание жизни и сама жизнь несовместимы! Например, при хромосомном анализе определении дозы радиации, полученной человеком давно (так называемой реконструированной дозы), лазерный луч убивает усики хромосом, тем самым убивая саму хромосому. Относительно живого организма как целостной системы Энгельгардт В.А.В.А. Энгельгардт [ссылка на источники литературы] выделял три признака характеризующих взаимоотношения между целым и частями. Первый - возникновение в системе взаимодействующих связей между целым и частями. Второй - утрата некоторых свойств частей при вхождении их в состав целого. И, наконец, появление у возникающего целого новых свойств, определяемых как свойствами основных частей, так и возникновением новых связей между частями.

Можно также заметить в связи с работами Берталанфи Л. (фон)Берталанфи, что не только физики вносят свой вклад в Биологиябиологию, но и биологи - в физику, как, впрочем, это было и раньше в истории науки. Именно из учения или использования живых объектов и систем в экспериментах выяснились многие закономерности, которые затем стали достоянием и предметом изучения для точных наук. Так, работы Гальвани Л.Гальвани по исследованию свойств мышцы дали толчок к изучению электричества, и он тем самым даже дал свое имя целому классу электрических гальванических явлений. Пристли из экспериментов на живых организмах существенно расширил сведения об открытом им кислороде. Лаувазье провел исследования дыхания и горения, внеся тем самым вклад и в химию, и в биологию. Один из основных законов природы, первое начало термодинамики, был сформулирован судовым врачом Майер Ю.Р.Майером. Врач-офтальмолог Гельмгольц много сделал для развития физической оптики.

Число таких примеров можно продолжить. Кроме Гельмгольц Г.Л.Ф.Гельмгольца и Майера врачом был Коперник Н.Коперник; Лавуазье А.Л.Лавуазье, Ферма П.Ферма и Авогадро А.Авогадро - юристы, Джоуль Дж.П.Джоуль по основной для жизни профессии был пивоваром, а Ампер А.М.Ампер и Фарадей М.Фарадей вообще не имели образования, т.е. по современным понятиям были дилетантами. Последний пример только подтверждает возможность развивать смежную науку, будучи в ней «дилетантом», а правильнее сказать - специалистом в другой области. И вообще Природаприрода сама по себе не знает деления на физические и биологические науки, она ведь целостна, едина, а это разделение вносит изучающий ее человек. Хотя все-таки именно физика вносит в биологию приемы мышления, анализа и обобщения, свойственные представителям точных наук. Доказательством этого, по мнению Энгельгардт В.А.В.А. Энгельгардта [ссылка на источники литературы], 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 представителями именно точных дисциплин.

Тем не менее, следует отметить, что различие логических подходов в физике и биологии создает определенные трудности взаимодействия между этими Науканауками и затрудняет создание достаточно обоснованной физической теории биологических явлений. Для биологии очевиден вопрос «для чего?», то есть формулировки рассматриваемых закономерностей носят финалистический характер. Физика спрашивает «почему?», «вследствие чего?», т.е. формулирует физические Законзаконы как казуальные. Понятно, что истинный научный смысл имеет 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 указывали в главе 1.2, 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 (Принцип Монпертюипринцип Мопертюи в механике, Ферма П.Ферма - в оптике, Ле-Шателье А.Л.Ле Шателье - в термодинамике и в целом в современном естествознании, правило Ленца Э.Х.Ленца в электротехнике и ряд других).

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 Бруно Дж.Дж. Бруно. А Гегель Г.В.Ф.Гегель подчеркивал, что «именно в этих крайностях вещи умопостигаемы и объединяются в понятия».

Можно остановиться еще на одном различии биологического и физического методов познания природы. Как мы уже отмечали, классической физике была чужда идея эволюции. Она действительно пыталась в меру своих представлений ответить на вопросы «почему» и «как» устроен реальный физический мир, но не могла объяснить, почему именно так, а не иначе. Это идет от классической Ньютон И.ньютоновской посылки: «Причину же этих свойств силы тяжести я до сих пор не мог вывести из явлений, гипноз же я не измышляю... Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения всех небесных тел и моря». Хотя количественные (и правильные!) законы движения, перемещения, 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), который, по мнению многих космологов, является единственной систематической попыткой научно объяснить кажущуюся таинственной структуру физического мира. Надо отметить, что АП вводит в физику некие новые ощущения, не свойственные ей как классической науке, например роль человека как наблюдателя, соучастника эксперимента становится неустранимой, уже фундаментальным представлением.

Более того, этот принцип затрагивает понятие целеполагания, целевую функцию процесса эволюции. В Телеологиятелеологическом 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 Биологиябиологии, так как в ней идея развития - главная, она распространяется на основные законы живой природы. И эти биологические закономерности возникают вместе со Становлениестановлением самой жизни.

В то же время классическая физика начиная с Ньютон И.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 Степин В.С.В.С. Степин [ссылка на источники литературы], что во времени нет выделенных точек, в которых бы менялся характер изучаемых физикой законов. Хотя даже простая Логикалогика 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 КосмосКосмосе требуются 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 через синергетическое понимание эволюции сложных неравновесных когерентных самоорганизующихся открытых систем, формирование, по Пригожин И.Р.И.Р. Пригожину, физики возникающего. Такое понимание физики возникающего на основе современных представлений теории самоорганизации и может стать физикой живого.

Сейчас уже является общепринятым положение, что живые организмы являются открытыми неравновесными системами, и, естественно, поэтому хочется применить к ним те же физические законы, которые используются для объяснения и даже управления физико-химическими процессами в объектах неживой природы. Кое-что в этом направлении удалось сделать, хотя, конечно, построить окончательную физическую модель живого не удалось, но, такое желание у нас еще есть. Отметим, тем не менее, что такой подход 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.

Используя здесь принцип дополнительности Бора, можно считать, что нельзя судить о содержании общих биологических закономерностей, оставаясь только в рамках чисто биологических воззрений, тем более что, как считают и некоторые биологи, и мы об этом уже упоминали во введении, биология сообщает множество интересных и важных подробностей о человеке, упуская, тем не менее, нечто принципиальное. Нужно, по Бору, дополнение в лице физики! Сам Бор предполагал на основе своего принципа, что познание живого организма как атомно-молекулярной системы принципиально дополнительно к изучению этого организма как целостной системы и ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе как на основе понятий физики и химии. Именно в этом смысле следует понимать, что лишь одними законами биологии или физики невозможно объяснить феномен живого.

Как мы уже неоднократно обсуждали ранее, 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, приводящих к образованию уже других структур, форм, организмов и их видов.

В 1859 г. Дарвин Ч.Ч. Дарвин и Уоллес А.А. Уоллес представили в лондонское Линнеевское общество совместный доклад о механизме, обеспечивающем направленность эволюции. В этом же докладе была высказана главная идея этого механизма - Естественный отборестественный 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, Дарвина и Уоллеса можно считать в известном смысле предтечами Биологическая синергетикабиологической 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 Изменчивостьизменчивость. Следует также заметить, что заслугой Дарвина не является сама идея эволюции, этим вопросом занимались и АристотельАристотель, Линней К.Линней, Ламарк Ж.Б.Ламарк и другие ученые, а то, что он первым увидел в природе принцип естественного отбора.

Кстати, по поводу того, что Дарвин Ч.Дарвин был первым. Как это часто бывает в науке, и мы это уже отмечали применительно к другим ученым, к идее Естественный отборестественного отбора пришел практически одновременно с Ч. Дарвином и малоизвестный натуралист (ставший, правда, впоследствии основателем зоогеографии) Уоллес А.А. Уоллес, который использовал в своих предположениях работу английского экономиста Мальтуса «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 видов путем естественного отбора», то автором ее был только Ч. Дарвин. И мы теперь связываем эту теорию именно с Ч. Дарвином. Книга вышла 24 ноября 1859 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.

К чему вела физическая эволюция Больцмана для изолированных систем в рамках равновесной термодинамики, мы уже знаем - именно к установлению равновесия, к равновесному распределению хаотических состояний. Может быть, поэтому физика в своих классических рамках и не интересовалась развитием систем, или тем же круговоротом веществ в природе. Классические физические представления, в том числе и квантовая механика, могли объяснить, как устроена Природаприрода 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. Подчеркнем еще раз, что налицо высокая упорядоченность живой материи по Дарвину и полная разупорядоченность, в конечном итоге, в неживой природе по физической модели Больцмана.

Конечно, это некие фрактальные взгляды: в природе, в том числе и живой, присутствуют процессы, приводящие и к хаосу, и к порядку, более того, они взаимодействуют в их гармоничной динамике. Это находит свое объяснение в применении принципов и идей Синергетикасинергетики к эволюции и снимает кажущееся противоречие между идеями эволюции Больцман Л.Больцмана и Дарвин Ч.Дарвина в современной Синтетическая теория эволюциисинтетической теории эволюции. Второй закон термодинамики в современном представлении отражает необратимость всех реальных процессов в Природа живаяживой и Природа неживаянеживой 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. 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 его преимущество в борьбе за существование и приспособление к Окружающая средаокружающей среде.

Скорее ураган, проносящийся
по кладбищу старых самолетов,
соберет новехонький суперлайнер
из кусков лома, чем в результате
случайных процессов возникнет
из своих компонентов жизнь.

Викрамасингхе

Неудивительно, что случай имеет
над нами такую огромную власть,
ведь то, что мы живем, - тоже случайность.

Сенека

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 сначала это в макроскопическом представлении. Прежде всего отметим, что мир живого необходимо рассматривать как целостную систему, мир растений и животных един, и поэтому должны существовать общие законы развития живой природы. В то же время Природа живаяживая природа является неоднородной целостной системой, которой свойственна иерархическая Организацияорганизация.

Эту реальную иерархию живой природы классифицировал еще Линней и развил затем Дарвин Ч.Дарвин. Причем само возникновение иерархии, завершившееся в живой природе видообразованием, определяется Естественный отборестественным отбором и Наследственностьнаследственностью. 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 и является тем основным интегрирующим фактором, создающим и поддерживающим органическую целостность жизни. Один из главных признаков живого состоит в приспособлении (Адаптацияадаптации) организмов к внешней среде при взаимодействии с ней. Специфичными формами адаптации можно считать организацию жизни и ее эволюцию.

ОрганизацияОрганизация живого организма представляет собой упорядоченную связь его элементов, частей, функции которой направлены на достижение определенного полезного результата и сохранение системы. В этом и есть смысл целеполагания самоорганизующихся систем и живых организмов. Сама Самоорганизациясамоорганизация реализуется через адаптацию, и, 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 можно рассматривать как приспособляемость в условиях эволюции. И в этом смысле адаптация - общебиологический принцип [ссылка на источники литературы].

Имеются физические модели, рассматривающие живой организм как целостную макроскопическую квантовую систему. Тогда многообразная дифференциальная устойчивость живого (различие и устойчивость видов и отдельных особей) может быть объяснена на основе имеющихся принципов квантовой механики, в том числе тождественности и дискретности. На основе этих принципов можно построить физическое объяснение 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 [ссылка на источники литературы].

Использование правил отбора, о которых мы уже говорили, позволяет 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 Методологияметодологически можно ожидать успеха, как это мы видели на примере Космомикрофизикакосмомикрофизики. Кроме того, ведь хочется, чтобы законы, объясняющие природу, были 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 Базисбазис пространства этих векторов.

Введение представления фазового пространства в нелинейной динамике (глава 1.7) также дает возможность анализа процессов жизнедеятельности организма. В Структура диссипативнаядиссипативных структурах за порогом неравновесного фазового перехода в среде возникают когерентные взаимодействия. Как нам уже известно, использование Нелинейные уравнениянелинейных дифференциальных уравнений и понятий аттракторов позволяет классифицировать возникающие структуры и описывать траектории движения вокруг особых точек. Поведение точек фазового пространства в таком случае будет определять развитие и изменение состояния. 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 Структураструктура живого организма, подтверждает борьбу организма за отрицательную энтропию.

Известно, что хаотическое состояние для замкнутых систем характеризуется возрастанием энтропии системы, которая пропорциональна фазовому пространству, занимаемому системой. Поэтому, если траектория системы будет 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 обычно 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 средаокружающая 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, формирует, изменяет ее наличное, настоящее состояние. В этом смысле, если хотите, будущее определяет настоящее! Странные аттракторы определяют границы неустойчивости, в рамках которых происходят Флуктуацияфлуктуации и Бифуркациябифуркации. Получается, что обычный аттрактор описывает устойчивое равновесие порядка, а странный - неустойчивое равновесие детерминированного хаоса.

Их динамическое (а может быть, и гармоническое) сочетание и определяет эволюционный процесс развития живой системы. Этот спектр структур-аттракторов представляет собой поле путей развития, Бифуркационное деревобифуркационное дерево возможных ветвящихся направлений развертывающихся событий. Он может определяться воздействиями управляющих параметров и внутренними свойствами среды, которые заключают в себе тем самым план эволюций. Этот план потенциален и определяется нелинейными свойствами 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 значений качественно изменяет состояние системы и характер ее развития. Качественное же изменение состояния организма означает новые пути эволюционного процесса. Заметим еще раз, 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 как устойчивость макроскопического квантового объекта. Диссипативные структуры, в которых устойчивы упорядоченные неравновесные состояния, требуют для своего становления большого количества энергии. Обмен энергией с Окружающая средаокружающей средой приводит к тому, что свободная энергия забирается из нее, как теперь мы это уже знаем, а «обесцененная» (с положительной энтропией) отдается окружающей среде - рассеивается в ней (диссипатируется).

Поэтому Структура диссипативнаядиссипативная 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 Бауэр Э.Э. Бауэру), характерного для живых организмов. Такие представления согласуются с принципом минимума диссипации энергии Моисеев Н.Н.Моисеева, т.е. накопления свободной энергии в организме, и принципами Розена оптимальной конструкции в Биологиябиологии, оптимальной структуризации, минимизации траты энергии и «строительного материала».

Действительно, из 111 химических элементов природы организм использует только 22, причем на 99% он состоит из легких элементов: <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, С и <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, соответственно 60, 25, 10 и 2%. Принцип оптимальной конструкции живого выступает здесь как частный случай всеобщих физических принципов оптимальности и наименьшего действия. Чем выше Организацияорганизация, 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 можно рассматривать как частный случай общего принципа экономии энергии и минимума производства энтропии.

Согласно Пригожин И.Р.И.Р. Пригожину, если имеющиеся граничные условия мешают системе достичь термодинамического равновесия, а это означает нулевое производство энергии, то такая система переходит в состояние с наименьшей диссипацией. Тем не менее, мы должны также понимать, что любая работа, совершаемая живым организмом, при сохранении собственной внутренней энергии (если она будет уменьшаться, организм погибнет) должна компенсироваться притоком положительной энергии. Заметим, что в целом наименьшая трата энергии, максимальная ее экономия, характерна для функционирования живых систем и свидетельствует о высокой их Организацияорганизации. Например, энергия, требуемая для функционирования Клеткаклетки, составляет менее <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
эВ, в то время как работа Лазерлазера обеспечивается энергией около <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
эВ. Заметим, что для живых организмов энергетически выгодно сокращение поверхности организма, которая находится в контакте с внешней средой. У высокоорганизованных многоклеточных структур эта поверхность меньше.

Таким образом, одними из главных факторов развития живого являются энергетический и организационный и их можно рассматривать во взаимном единстве. Организация живых систем является критерием прогресса их эволюции, а основным критерием их организации является эффективность использования энергии. Причем Эволюцияэволюция должна идти не только по сложности и степени организованности, но и по степени функциональности, и эта функциональность играет более активную роль в эволюции, чем Структураструктура. Таким образом, организация включает в себя не только структуру, но и связи между элементами и их взаимодействие.

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

Многообразие состоит в том, что во всех биологических функциях всегда и везде в качестве обязательного звена выступает преобразование энергии: превращение Квантквантов света в потенциальную химическую энергию органических молекул при Фотосинтезфотосинтезе, превращение химической энергии в механическую работу при сокращении мышцы, образование тепла при процессах дыхания, возникновение электрических потенциалов при возбуждении нервной клетки, организация потоков движения вещества, кинетика электронов и многое другое. А унификация заключается в том, что непосредственным источником энергии, обеспечивающим все эти функции и проявления жизнедеятельности, во всех случаях является универсальное вещество, которым, как мы увидим в подразд. 2.2.3, является химическое соединение Аденозинтрифосфатаденозинтрифосфат (АТФ).

На рост разнообразия, как одной из существенных характеристик живого, обращает наше внимание и Тимофеев-Ресовский Н.В.Н.В. Тимофеев-Ресовский: «Одно из проявлений живого состоит не в том, что нарастает масса живого. а в том, что множится число элементарных Индивидиндивидуумов и особей». Разнообразие по своему существу - это гарантия устойчивого существования, отбора наиболее приспособленных организмов и нужного для развития взаимодействия с Окружающая средаокружающей средой. Распространяя принцип биологического разнообразия на социальную и духовную сферу жизни, Лотман Ю.М.Ю.М. Лотман [ссылка на источники литературы] 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.

Отметим еще один биологический закон, также объяснимый в рамках Синергетикасинергетики. СтруктураСтруктура живого организма тесно связана в его функциональностью, что коррелирует и с обозначенными нами принципами оптимальности. Живой объект реально выступает как неразрывное единство структуры и функции вещества и действия. В этом смысле Клеткаклетка как элементарная частица биологии на клеточном уровне организации живого, по мнению Хилла, «не столько вещество, сколько процесс, непрерывная цепь удивительным образом связанных между собой событий». Образно говоря, она сама «живет» так же, как «живет» и хаос, и самоорганизующаяся система в любых сложных объектах живой и неживой природы (например, в пламени факела, огня, неустойчивого потока воды, газа и т.д.).

Поэтому высокоорганизованная живая система не только выстраивает иерархию своей структуры, но и создает и контролирует функциональные действия и процессы в ней. Упорядоченность живого организма отличается от упорядоченности объектов неживой природы, например кристаллов, где она характеризуется минимумом свободной энергии. Там это - упорядоченность кладбища, в то время как упорядоченность структуры живого организма в процессе жизнедеятельности есть, по образному выражению Медников Б.М.Медникова [ссылка на источники литературы], «упорядоченность автомобильного конвейера», т.е. упорядоченность процесса. Это может быть и процесс обмена веществ, и самоорганизации структуры, и передачи сигналов и т.д. Живой организм - это поток, в котором непрерывно движутся энергия и вещества - элементы для создания структуры и поддержания жизнедеятельности.

Овладеть пространством - таково
первое желание всего живого.

Ле Корбюзье

Коль можешь, не тужи о времени бегущем,
Не отягчай души ни прошлым, ни грядущим.
Сокровища свои потрать, пока ты жив,
Ведь все равно в тот мир предстанешь неимущим.

Омар Хайям

Остановимся здесь на представлениях Пространствопространства и Времявремени применительно к жизни организмов. Роль пространства для живого организма не ограничивается только желанием живого завоевать его, расширить свои возможности, получить дополнительную энергию. С точки зрения статистической физики, расширение объема занимаемого системой пространства связано с увеличением числа возможных состояний, т.е. увеличением энергии системы для своего развития. Для жизни нужна энергия! В биологии это называется поисковой Активностьактивностью живых организмов и свойственно человеку с его желанием реализовать свои способности в пространстве и времени. Как мы увидим дальше, в мире Биология молекулярнаямолекулярной биологии для молекул Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК и Рибонуклеиновая кислотаРНК очень важно изменение пространственной конфигурации. Цепи этих молекул трехмерны, и это позволяет им выполнять свои функции. В этом смысле пространство оказывается важным участником действия, в том числе и на молекулярной сцене жизни.

Важным этапом развития живых организмов явилось на определенном этапе эволюции отделение их от Окружающая средаокружающей среды, создание границы, поверхности раздела между живой и внешней неорганической средой. И эту обособленность можно рассматривать как один из признаков самоорганизации, приводящей в том числе и к определенной устойчивости живых организмов, выделяя их из окружающей среды. Тем самым возникли дискретность биологических образований и проблема явлений и процессов, происходящих на границе поверхности. И то, и другое можно описать физическими представлениями. Напомним себе еще раз, что в квантовой физике дискретность связана с принципом неопределенности <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
.

Как конкретно поверхностные явления влияют на процессы в живом организме, мы рассмотрим ниже в подразд. 2.2.3-2.2.4. Здесь же отметим, что и процессы, происходящие на поверхности или, в общем смысле, на границах, идут с большей интенсивностью, чем внутри системы. И это можно связать с «экспансией» живого в пространстве - развитие его идет быстрее на границах. Наверное, не случайно на популяционном уровне человек селился на опушке леса, берегу моря, реки, обрывов в горах и т.д., там, где были природные границы биогеоценозов. В Социумсоциуме это проявляется в ускоренных темпах развития на периферии (освоение новых земель, завоевание Сибири, возрождение России из регионов и т.д.).

С энергетической точки зрения, подтверждается биологический принцип: живое борется за реальное пространство - стремится расширить Ареалареал своего существования. Есть ли здесь очередное противоречие? По-видимому, нет, поскольку живое борется и в целом за энергию, структурируя ее затем на полезную для себя свободную энергию и ненужную ему связанную энергию - положительную энтропию. В этом как раз суть биоэнергетической направленности эволюции живых организмов, в ходе которой должно происходить повышение энергии жизнедеятельности, в частности животных. И это значительно увеличивает преимущество более энергетичных особей в борьбе за жизнь, в освоении новых территорий и приспособлении к разнообразной Окружающая средаокружающей среде. В биологии это называется поисковой Активностьактивностью и справедливо, в том числе, и для человека, расширяющего свои возможности. Живое стремится получить энергию и за счет этого сохранить себя. В этом проявляется его целевая функция и в этом же - направленность его развития.

Для живой природы характерна также специфика пространства, связанная с асимметрией вещества организма. Мы уже рассматривали Хиральностьхиральность «живых» молекул и более подробно рассмотрим влияние нарушения симметрии на возникновение развития жизни в подразд. 2.2.5. Пока же отметим, что асимметрия приводит к резкому неравенству направлений в пространстве, выделению в пространстве того направления, которое энергетически выгодно или целесообразно. А поскольку в целом ряде явлений мы говорим об едином пространстве-времени, то применительно к живому организму, по-видимому, в связи с асимметричностью пространства можно считать, что и время в живом течет по-другому, чем «объективное» время вне него. Еще Вернадский В.И.В.И. Вернадский говорил [ссылка на источники литературы], что «в живой природе пространство имеет одну особенность, необратимость, зависящую от времени».

На возможность возникновения для сложной системы внутреннего времени обращал внимание и Пригожин И.Р.И.Р. Пригожин: в случае самоорганизации каждая такая система координирует свои внутренние процессы в соответствии с собственным временем. Пригожин назвал это релятивизмом системного времени и отмечал, что как только формируется Структура диссипативнаядиссипативная структура, однородность пространства и времени нарушается [ссылка на источники литературы]. Более того, он считал, что живые системы наделены способностью ощущать направление времени. Эту направленность времени хорошо чувствует психология. Мы помним прошлое, но не помним будущего! Биологическое пространствоБиологические пространство и Биологическое времявремя характеризуют особенности пространственно-временных параметров организации материи: биологического бытия человеческого Индивидиндивидуума, смену видов растительности и животных, фазы их развития. Еще АристотельАристотель различал две сущности времени: одну - как параметр, фиксирующий различные состояния движения тел, и вторую - как рождение и гибель, т.е. как характеристику возраста системы и, следовательно, направленности его от прошлого к будущему.

Наряду с линейным восприятием времени у человека возникает психологическое ощущение хода времени, обусловленное в том числе его внутренней Организацияорганизацией. Такое представление называют Биологическое время биологическим временем или биологическими часами. Биологические часы можно рассматривать как отражение ритмического характера процессов в живом организме в виде его реакции на ритмы природы и в целом всей Вселенной. Появление биологического времени, своего для каждой живой системы, обусловлено синхронизацией биохимических процессов в организме.

Поскольку живой организм является иерархической системой, то он должен соразмерять ее функционирование с синхронизацией всех подуровней и подсистем не только во времени, но и в Биологическое пространствобиологическом пространстве. Такая синхронизация связана с наличием биоритмов в системе. Чем сложнее система, тем больше у нее биоритмов. Винер Н.Н. Винер [ссылка на источники литературы] считал, что «именно ритмы головного мозга объясняют нашу способность чувствовать время».

Большинство физиологических процессов роста, развития, движения и обмена веществ в Клеткаклетках подвержено ритмическим процессам, обусловленным суточным (Циркадныйциркадным) ритмом внешней среды. Так, у растений хорошо известны ритмические движения закрытия цветков и опускания листьев в ночное время и раскрытия их в дневное время. Однако это не всегда связано только с внешним воздействием света. Шноль С.Э.С.Э. Шноль [ссылка на источники литературы] приводит любопытный пример с листьями фасоли Мэрана, которые опускались и поднимались вечером и утром, даже если они находились в полностью темной комнате. Они как бы «чувствовали» время и контролировали его своими внутренними физиологическими часами. Обычно же растения определяют длительность дня по переходу Пигментпигмента фитохрома из одной формы в другую при изменении спектрального состава солнечного света. «Закатное» солнце «красное» из-за того, что более длинноволновый красный свет рассеивается меньше, чем синий. В этом закатном или сумеречном свете много красного, почти инфракрасного излучения, и растения (а может быть и животные) это чувствуют.

Человек, изучающий мир, сам является структурой, изменяющейся во времени, и для него представления о прошлом и будущем существенно разные. В прошлом время выступает как обобщенная координата, а в будущем оно обладает для нас свойствами, зависящими от того, как мы и другие объекты ведем себя в настоящем. Если прошлое определено, то будущее сложных систем не полностью известно. Как сказал Бестужев-Лада И.Бестужев-Лада, «прошлое можно знать, но нельзя изменить, а будущее можно изменить, но нельзя знать». Чем сложнее Структураструктура, тем большее число возможных состояний она может принимать в будущие моменты времени. В этом неоднозначность времени. Кроме того, время для индивидуальной особи, для ее вида рода, класса и т.д. различно (масштаб времени). Для человека оно меньше, для человечества - больше. «Чувство времени» для живого организма всегда субъективно: быстро, когда человек увлечен, медленно - в безделье.

Эти различные формы времени и его воздействия на характерные особенности человека должны проявляться в его облике и остальных его свойствах и качествах. Интенсивность жизненных процессов также связана с внутренним временем, биологическими часами. Ими управляются такие процессы, как объем клеточного ядра, частота делений клеток, интенсивность Фотосинтезфотосинтеза и клеточного дыхания, активность биохимических процессов и т.д. Предполагается, что это Биологическое времябиологическое время может течь по-разному, неравномерно, если его сравнивать с физическим (астрономическим) временем. Однако надо заметить, что до настоящего времени экспериментально такую неравномерность времени в целом во Вселенной не обнаружили. Есть экспериментальные подтверждения, что скорость деления Клеткаклетки, задаваемая биоритмами, вначале растет, по мере развития организма достигает максимального значения и затем уменьшается, вплоть до нуля при естественной смерти организма.

Синхронизированный общий биоритм организма может не совпадать с ритмом астрономического времени. В молодости организма циклы чаще и психологически кажется, что астрономическое время тянется медленнее, а в старости биологическое время идет медленнее и поэтому также кажется, что астрономическое время идет быстрее. Теперь понятно, почему время для ребенка и старика течет по-разному. У первого - оно медленнее, у второго - быстрее. Возникает некий конфликт между физическим и биологическим временем. Говорят же, что женщине столько лет, на сколько она выглядит; а для здорового человека неважно, сколько ему лет, важно - как и на сколько лет он себя чувствует. Все - индивидуально! В целом здоровье организма определяется состоянием и количеством его элементарных «атомов» - клеток. И скорость эволюции клеток, их рост и отмирание, будет определять время жизни организма. В молодости скорость возобновления клеток - высокая. В старости она замедляется, производная по времени от числа новых клеток меньше нуля, как говорят физики. Жизнь определяется интенсивностью обновления клеток, а старение является проявлением замедления биологического времени, запрограммированного самой эволюцией жизни. И «если жизнь прошла интенсивно, то она кажется полезной и интересной» (Мечников И.И.Мечников). Подобную мысль высказывал Камю А.А. Камю: «Годы в молодости стремительно бегут, потому что они полны событий, а в старости тянутся медленно из-за того, что эти события предопределены». Видимо, это позволило Ландау Л.Д.Л. Ландау обоснованно перед смертью сказать: «Кажется, я неплохо прожил жизнь». А другой физик считал программным для себя девиз - «только интенсивный обмен энергией с окружающей средой позволяет мне оставаться творческой Личностьличностью». Заметим также, что случайные процессы, роль которых в квантовой статистике и Биологиябиологии так велика, могут полностью реализовываться лишь в бесконечно большом времени. А само время ограничено существованием мира [ссылка на источники литературы].

При становлении человеческой психики возникает психологическое пространство-время, которое связано со зрительными, слуховыми и другими ощущениями человека и его восприятиями. Здесь соединяются вместе проблемы физики, философии и психологии. Выявлены неоднородности пространства ощущений, его асимметрия, а также эффект обратимости времени в бессознательных и Транспсихическоетранспсихических процессах. Например, может иметь место такая синхронизация психических процессов, при которой возникает одновременное проявление одинаковых ощущений и переживаний у нескольких людей.

В этом психологическом пространстве-времени отражается не только внешнее физическое пространство, но и ощущение собственной телесной биомеханики и собственного личностного пространства, для которого предполагается преобладание топологии над метрикой. Часто Психологическое времяпсихологическое время-пространство проявляется в бессознательном и во сне. Человек ориентируется (и живет!) в этом психологическом пространстве-времени не хуже, чем в физическом, и психологически хорошо ощущает ход времени.

Как отмечал С. Кашницкий, описывая эксперименты Гримак Л.П.Л.П. Гримака, имеются различия между физиологическим и психологическим временем организма человека. Оказывается, для психики, здоровья и долголетия значительно лучше жить в психологически ускоренном времени и информационно насыщенной обстановке. Этим, наряду с медико-биологической ситуацией прежних времен, объясняется то, что люди тогда жили гораздо меньше. Известны антропологические данные о том, что современники не только каменного века, но и средних веков, которые дотягивали до естественной смерти, редко доживали в среднем до 35-40 лет. В условиях информационной ненасыщенности жизнь коротка!

В наше время порог старости заметно отодвинулся. И объяснить этот эффект только успехами одной медицины нельзя - достижения современной медицины в целом увеличивают среднюю продолжительность жизни, но не могут кардинально отодвинуть границу старости. Замедление старения, возможно, как раз и объясняется ускорением психологического времени современного человека, которое стимулируется высоким Интеллектинтеллектом, познавательной деятельностью и устремленностью в будущее.

Примером активного долголетия являются люди, в профессии которых реализуется плодотворная старость. Это - лесоводы, путешественники, Селекцияселекционеры, садоводы и цветоводы, воспитатели, архитекторы, художники, ученые, результаты труда которых отсрочены, устремлены в будущее. Также бодры, энергичны и жизнеспособны те люди старшего поколения, которые не разучились удивляться, а значит так информационно насыщать свою жизнь, что она не тянется, а несется. Часто им не хватает времени для реализации своих идей, но жизнь их интересна и ярка!.

Интересный пример психологического восприятия времени приводит Кондратьев М.Н.М.Н. Кондратьев [ссылка на источники литературы]: «Если физическое время разделяет прошлое и будущее, как один миг, т.е. является точкой на оси времени, то настоящее удерживается в психике от 1 до 5 сек. Если бы мы настоящее также ощущали как миг, то не могли бы воспринимать мелодию, а воспринимали бы музыку, как отдельно звучащие ноты».

В целом же в проявлении свойств времени в живых организмах отражается та же таинственная непознанность пока сущности времени вообще. Это проявляется и в высказываниях ученых, так или иначе касавшихся этой проблемы. «Время - всего иллюзия», - отмечал Пригожин И.Р.И.Р. Пригожин [ссылка на источники литературы] вслед за Эйнштейн А.А. Эйнштейном. И несмотря на то, что Эддингтон А.А. Эддингтон писал, что «в любой попытке навести мост между областями опыта, принадлежащими к духовной и физической стороне нашей природы, время всегда занимало ключевую позицию», А. Бергсон [ссылка на источники литературы] считал, что «время - либо изобретение, либо вообще ничто». В физике становления И.Р. Пригожина время становится «возникающим» свойством.

Современная физика, описывающая глубинное строение материи, развивается в направлении, начатом Эйнштейном, в поисках того, что природа всех физических взаимодействий едина. Весьма вероятно, что в основе свойств физической материи, в том числе и живой, лежат сложные геометрические особенности пространства-времени. Установление корреляций между характером индивидуального развития человека в пространстве и времени, его геометрическим строением и физиологическими и психическими качествами является одной из задач физики живого.

Нехаотические системы столь
же типичны, как курица с зубами.

Форд

Жизнь на Земле - это островки
информации в безбрежном море
энтропии окружающего мира.

Н. Винер

Рассмотрим теперь вопрос о роли информации для живого организма, которая также является важным фактором его эволюции. Шмальгаузен И.И.И.И. Шмальгаузен [ссылка на источники литературы] был одним из первых, кто обратил внимание на связь информации с энтропией и развил информационный подход к теоретической Биологиябиологии. Он же установил, что процесс получения, передачи и обработки информации в живых организмах должен подчиняться известному нам принципу оптимальности. Применительно к живым организмам можно считать, что «информация - это запомненный выбор возможных состояний» [ссылка на источники литературы]. Такой подход к информации означает, что возникновение и передача ее живой системе - это процесс Организацияорганизации этих состояний и, следовательно, может происходить и процесс самоорганизации. Мы уже знаем, что эти процессы для живой системы могут приводить к ее упорядочению и, следовательно, уменьшению энтропии.

Напомним, что Энтропияэнтропия также может считаться биологическим критерием оптимальности и служит мерой свободы системы: чем больше состояний доступно системе. тем больше энтропия. Если состояния имеют разные вероятности, то

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.1.4)

где <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
- вероятность i-го состояния, w - число состояний.

Если же состояния все одинаковы, то <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
и

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.1.5)

т.е. совпадает с обычной формулой (1.7.3).

ЭнтропияЭнтропия максимальна именно при равномерном распределении вероятности, которое тем самым и не может привести к развитию. Всякое отклонение от равномерности приводит к уменьшению энтропии. В соответствии с (2.15) энтропию можно определить как логарифм фазового пространства. Заметим также, что экстремальный принцип энтропии позволяет находить устойчивое состояние системы.

Чем больше у живой системы информации о внутренних и внешних изменениях, тем больше у нее возможностей изменить свое состояние за счет обмена веществ, поведенческих реакций или Адаптацияадаптации к полученному сигналу. Например, резкий выброс адреналина в кровь в Стрессстрессовых ситуациях, покраснение лица у человека, повышение температуры тела и т.д. Полученная организмом информация так же, как энтропия, влияет на процессы ее организации. Общее состояние системы, ее устойчивость (гомеостаз в Биологиябиологии как постоянство структуры и функций) будет зависеть от соотношения энтропия - информация. Для идеальных закрытых систем с учетом закона сохранения Субстанциясубстанций (1.7.4) можно записать

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.1.6)

где S - энтропия, а I - количество информации.

Количество информации, необходимой для реализации состояния, можно также выразить через вероятность. Мерой информации I, по Шеннону К.К. Шеннону, является соотношение

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.1.7)

где w - число возможных состояний, P - вероятность события.

Сравнивая (2.1.7) с (2.1.4), мы видим, что если возрастает количество информации в системе, то уменьшается ее энтропия, и наоборот. Впоследствии выяснилось, что в Кибернетикакибернетике, как науке об управлении процессами в неживой и живой природе, имеет смысл не просто количество информации, а ее ценность [ссылка на источники литературы]. Полезный информативный сигнал должен выделиться из информационного шума. А шум - это максимальное количество равновесных состояний, т.е. максимум энтропии. Поэтому минимум энтропии в соответствии с (2.1.6) соответствует максимуму информации. И отбор информации из шума - это процесс рождения порядка из хаоса. Так же, как уменьшение однообразия (появление белой вороны в стае черных) будет означать уменьшение энтропии, но повышение информативности о такой системе (стае). За получение информации нужно «платить» увеличением энтропии.

Примером из неживой природы может служить образование упорядоченного кристалла из расплава. При этом энтропия образовавшегося кристалла уменьшается, но возрастает информация о расположении атомов в узлах кристаллической решетки. Как можно заметить, объем информации комплементарен объему энтропии, конкретнее обратно пропорционален ей, и поэтому информационный подход не дает нам больше, чем термодинамический. Необходимо учитывать кинетику образования диссипативных структур и ценность информации. Ценность информации как ее качество можно определить из соотношения

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.1.8)

где <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
и P - вероятности достижения какой-то цели до и после получения информации.

Информация обычно выражается в битах, бит - единица измерения в двоичной системе счисления. Анализ формул (2.1.4)-(2.1.7) показывает, что для простейшего случая двух вариантов вероятности выбора между этими двумя вариантами w = 2 и P = 1/2, тогда I = <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
= 1 бит. Оказалось, что по информативности живой организм значительно превосходит современные ЭВМ (I порядка <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
бит), Клеткаклетка - <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
бит, а в целом живой организм может содержать до <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
мегабит информации. Для примера, наш алфавит, состоящий из 32 (<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
) букв, в упорядоченном тексте содержит информацию всего I = <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
= 5 бит.

Говоря о сложности кибернетической системы, Нейман Дж. (фон)фон Нейман имел в виду число компонентов, образующих систему. В многокомпонентных системах эту сложность в ряде случаев труднее описать, чем изготовить такую систему. Сложность в битах определяется как минимальное число двоичных знаков, которые содержат всю информацию об объекте, достаточную для его воспроизведения. Однако Понятиепонятие ценности информации шире понятия сложности и для живых организмов играет большую роль, чем усложнение системы, поскольку для них важнее не принцип возрастания сложности, а принцип возрастания ценности информации.

Одной из существенных особенностей живой системы является способность создавать новую информацию и отбирать наиболее ценную для него в процессе жизнедеятельности. Чем более ценная информация создается в системе и чем выше критерий ее отбора, тем выше стоит эта система на лестнице Биологическая эволюциябиологической эволюции. Поэтому наряду с другими рассмотренными признаками развития самоорганизующихся систем критерием биологической эволюции является возрастание ценности информации, рождающейся в системе и передаваемой затем живым организмом генетически следующим поколениям. Закономерности биологической эволюции в свете теории информации будут определяться тем, как реализуется в процессе развития живого принцип максимума информации и ее ценности. Следует заметить, что «эффект границы», привлекающий все живое, о котором мы уже говорили, подтверждается тем, что граница более информативна.

Выделение живым организмом полезной информации и экономичность ее хранения в виде отдельных признаков связаны с дискретностью получаемой информации, что помогает рационально ее отбирать и хранить. Такой кибернетический подход дает возможность представить память как многоуровневую структуру блоков информации, позволяет живому организму экономно перерабатывать информацию и самоусовершенствоваться.

Кроме того, Кибернетикакибернетика позволяет применить общие принципы воздействия одной системы на другую через отрицательные и положительные связи. Это связано с тем, что независимо от иерархического уровня Методологияметодология управления для живых и неживых объектов одна и та же: управляющий субъект, управляемый объект и система обратных связей. Принцип обратной связи широко используется в науке и технике, и мы в главе 1.7 уже обсуждали отрицательную обратную связь, ослабляющую внешнее воздействие на систему, и положительную, увеличивающую это воздействие. Первая - стабилизирует систему, вторая - развивает ее.

Применительно к живому это отражается в признаке Доминантадоминанты Ухтомский А.А.А.А. Ухтомского: всякая деятельность организма имеет определенную устойчивость, он обладает инерционностью - на слабый аномальный для него стимул организм отвечает компенсирующей реакцией, усиливающей его основную деятельность. Организм сопротивляется внешнему воздействию. Здесь имеется Аналогияаналогия с известным принципом Ле Шателье, который для рассматриваемых самоорганизующихся систем состоит в том, что система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия.

Но сильный стимул для организма вызывает срыв регуляции и переключение на новую деятельность. В Синергетикасинергетике и физике - это переход на новый энергетический уровень («накачка» Лазерлазера и создание инверсной заселенности), создание неустойчивости, переход в новое неустойчивое равновесие и т.д. В биологии примером может служить лакающая молоко кошка: если ее слабо потянуть за хвост - лакание только усилится, если сильно, то она бросит свое занятие, мяукнет, да еще и цапнет. Этот же пример иллюстрирует и физиологический закон - все или ничего: возбудимый субъект или не реагирует, или реагирует с максимальной интенсивностью.

Поскольку информация и энтропия по смыслу противоположны, то нетрудно представить, что отрицательная энтропия (Негэнтропиянегэнтропия) и есть питательная для живого организма информация. Поэтому можно считать, что живое «питается» не отрицательной энтропией, а информацией. Пока мы получаем информацию и нуждаемся в ней - мы живем! Человек путем использования информации противостоит энтропийно-дезинтегрирующим факторам воздействия внешней среды и тем самым сохраняет свою структуру и равновесие. Можно сказать, что упорядоченность свойств живого достигается путем повышения получаемой информации. Для человека - путем повышения его Знаниезнаний, образования и культуры. Более того, подпитка информацией, дающая ему саморазвитие, самообразование и самоорганизацию, удлиняет его жизнь! ЛичностьЛичность достигает гармонического развития, когда, нравственно и образовательно совершенствуясь, она минимизирует энтропию. Больше информации - меньше энтропии!

Без выделения полезной информации из общего бесполезного шума («мыльных» опер, рекламы, глупых детективов - на бытовом уровне) не будет ни возможности управления собой, ни самого развития человека. Для того чтобы уменьшить вероятность разрушения полезной информации бесполезным шумом, нужна некоторая избыточность информации. Но так же, как и в случае слишком большей внешней энергии, большой уровень информации может привести к срыву регуляции организма, его структуры и функций. Как и во всем, нужна гармония.

Говоря о взаимоотношениях живого и информации, можно отметить также, что, по-видимому, существуют такая степень сложности живой системы и критическое значение параметров ее жизнедеятельности, при которых она порождает собственное информационное поле. Возможно, это позволяет провести некую границу, за которой система и становится живой. Таким образом, обмен живого организма энергией, веществом и информацией с Окружающая средаокружающей средой приводит к внутренним структурным и функциональным изменениям, переходу из одного качественного состояния в другое. Организация функционирования в этом новом состоянии и определяет развитие организма как самоорганизующейся системы.

Подводя некоторый итог применения физических моделей и современных представлений к физике развивающихся систем, можно согласиться с Шредингер Э.Э. Шредингером [ссылка на источники литературы], что «работа живого организма требует соблюдения точных физических законов».

В настоящее время есть все основания считать, что современная физика не встречается с границами своей применимости к рассмотрению биологических явлений. Как справедливо указывал Волькенштейн М.В.М.В. Волькенштейн [ссылка на источники литературы], «развитие Биофизикабиофизики как части современной физики свидетельствует о ее неограниченных возможностях. Приходится, конечно, вводить новые физические представления, но не новые принципы и законы». Понимание основных принципов эволюции как самоорганизации живых систем не требует новой физики. Необходимы лишь новые представления и подходы, связывающие теорию самоорганизации, неравновесную термодинамику и теорию информации, которые могут служить количественной основой Биология молекулярнаямолекулярной биологии и современной Синтетическая теория эволюциисинтетической теории эволюции или универсального эволюционизма.

В физике живого можно объединить и синергетические, и квантово-механические принципы, можно также использовать представления о стационарности, стабильности, характерные для описания объектов классической и неклассической физики как физики бытия (часть 1 нашего курса). А физика становления, физика возникающего применяет представления динамической устойчивости и стационарных неустойчивостей, принципов воспроизведения живых систем в процессе самоорганизации. Такой подход оказывается весьма эффективным при разработке физики живого. Он расширяет рамки описания и понимания живого, переходя от консервативных систем к диссипативным, от линейной динамики - к нелинейной, от равновесных состояний - к сильно неравновесным, от устойчивости как неизменности и неизбежности - к неустойчивостям и динамической устойчивости и т.д. Этим она и отличается от физики бытия. Тем самым снимаются жесткие разграничения в естественнонаучном описании живой и неживой природы, что свидетельствует о более адекватном понимании нами существующей реальности мира.

Контрольные вопросы к главе 2.1

© Центр дистанционного образования МГУП