Текст книги "Хамса. Пятерица"

Обособление

С точки зрения устойчивости, также необходимо различать среди химических, автокаталических процессов с подводом энергии и необходимых компонент, обладающий свойством расширенного воспроизводства, те системы, которые подвержены всем, даже достаточно ограниченным воздействиям окружающей среды – то есть от не обособившихся. Обособление является существенным фактором при исследовании устойчивости по следующим соображениям.

Для устойчивости химического процесса необходима не только вышерассмотренная открытость всей системы (необходимая для обеспечения процесса энергией и материалом), но и открытость некоторых элементов системы. То есть необходимо ещё наличие свободных валентностей (неравномерность системы), обеспечивающее протекание каждой стадии. В рассматриваемых процессах на каждой стадии должны формироваться условия, обеспечивающие протекание следующей стадии (и так по замкнутому кругу). В химических процессах механизмы изменения условий на различных стадиях процесса чаще всего обусловлены периодическим образованием свободной энергии и изменениями скоростей различных реакций при изменении концентрации различных компонент, задействованных в процессе. Из-за этого большую роль в каталитических процессах играют катализаторы. В биохимии также катализаторы, роль которых играют и достаточно сложные белковые соединения, называются энзимами.

Для того чтобы изменения концентрации различных компонент реакций могли существенно влиять на изменение стадий процесса, компоненты должны быть достаточно лабильными, то есть потенциальные барьеры между различными состояниями «ключевых» компонент должны быть достаточно малыми.

В необособленных системах подобная лабильность противоречит достаточной устойчивости процесса, ибо при такой лабильности даже малые изменения параметров или состава окружающей среды могут и будут сильно влиять на протекание процесса – вплоть до его прекращения.

С другой стороны, необходимо учитывать относительность понятия обособленности в устойчивых химических процессах, так как абсолютная обособленность (замкнутость системы) противоречит требованию необходимости подвода энергии и соответствующих компонент.

Наиболее простые совокупности макромолекул, молекул, атомов, ионов и т. д., способные поддерживать единство (устойчивость) этой совокупности, по А. И. Опарину можно называть пробионтами.

Процессы с механизмами вывода побочных продуктов.

В устойчивых процессах не должны проявляться побочные результаты реакций.

При вращении Луны вокруг Земли можно считать, что таковых нет. Но в химических устойчивых реакциях с подводом необходимых компонент и энергии в ограниченное (обособленное) пространство механизмы вывода побочных продуктов реакций являются почти необходимыми по двум причинам. Во-первых, накопленная на различных стадиях энтропия должна передаваться каким-либо материальным носителям и выводиться из процесса. Во-вторых, накопление не участвующих в процессе элементов, изменяя концентрацию веществ в реакционной смеси, может отрицательно сказаться на стабильности процесса. В принципе, конечно, могут существовать и «безотходные» воспроизводства, но это условие накладывает слишком строгие требования на состав окружающей среды, который в рассматриваемом случае считается независимым от процесса.

В приведённом выше примере – процесс Белоусова-Жаботинского, обладающий некоторыми свойствами относительно устойчивого процесса, – имеется один из возможных механизмов вывода побочных продуктов реакции: испарение углекислого газа.

В связи с вышеизложенным можно сделать следующий вывод: для того, чтобы относительно устойчивый химический процесс был «истинно» устойчивым, то есть сам не способствовал своему затуханию и имел шансы на развитие, которое можно трактовать как относительное повышение устойчивости, необходимо, чтобы процесс удовлетворял ряду требований: во-первых, это должен быть процесс с подводом необходимой энергии и материалов; во-вторых, это должен быть процесс с «расширенным» воспроизводством; в-третьих, совокупность молекул, атомов и элементарных частиц, в соответствующем состоянии обусловливающая протекание относительно устойчивого процесса, должна быть достаточно обособлена от окружающей среды; и в-четвёртых, в процессе должен быть задействован механизм вывода побочных продуктов реакций.

Кратко резюмируя и выделяя основные моменты вышеприведённой пробежки по различным уровням физического мира, можно отметить: устойчивые элементарные частицы в своём стремлении к своему устойчивому состоянию в определённых условиях образуют различные относительно устойчивые соединения – атомы.

Образовавшиеся при этом относительно устойчивые атомы различаются эффективностью своих относительно устойчивых состояний. Наиболее устойчивыми в некотором смысле, наиболее обособившимися от внешней среды, нечувствительными к относительно большим воздействиям окружающей среды атомами являются атомы благородных газов с полностью заполненными внешними оболочками. Другие атомы менее устойчивы, и многие из них под действием относительно небольших воздействий ионизируются. Некоторые атомы и их ионы обладают чрезвычайной гибкостью своих свойств – лабильностью. Такими атомами являются атомы, находящиеся в середине периодов таблицы Менделеева.

Относительно устойчивые атомы – особенно ионы – в стремлении к своему (более энергетически выгодному) относительно более устойчивому состоянию в определённых условиях образуют ещё более сложные соединения – молекулы.

Некоторые относительно устойчивые молекулы в определённых условиях являются очень устойчивыми, а некоторые могут быть подвержены даже относительно малым воздействиям внешней среды и иметь довольно открытую структуру, то есть свободные валентности – не-скомпенсированные внутренние силы. Наличие свободных валентностей в относительно устойчивых молекулах приводит к росту молекул – появлению макромолекул с разнообразнейшими свойствами в различных условиях.

В определённых условиях макромолекулы с открытой структурой приходят к своему устойчивому состоянию – насыщению свободных валентностей или… производят макромолекулы с открытой структурой. Воспроизведение макромолекулами с открытой структурой (химически неравновесным состоянием) макромолекул с такой же открытой структурой на каких-то этапах приводит к появлению механизма идентичного воспроизведения, обуславливающего повышенную устойчивость (и распространённость) определённого вида макромолекул.

Воспроизведение макромолекул с открытой структурой макромолекулами с открытой структурой в определённых условиях приводит к появлению относительно устойчивых процессов, из которых в конце концов выделяются наиболее устойчивые.

Чтобы химический процесс был «истинно» устойчивым, то есть «не самоистребляющимся», он должен удовлетворять различным требованиям, в которые входят: необходимость подвода энергии и/или соответствующих материалов, «расширенность» воспроизводства, относительная «обособленность» системы и необходимость отвода побочных продуктов.

В определённых (разнообразных) условиях среди относительно устойчивых процессов отбор, в котором процессы, способствующие своему затуханию, не могут удовлетворить требованиям достаточной устойчивости и исчезают, а удовлетворившие всем этим требованиям резко выделяются из остального мира и образуют новый, наиболее прогрессивный вид материи, а именно живую материю.

Живая клетка

С точки зрения рассматриваемого подхода, живые клетки (в общем случае организмы) – это объединения макромолекул, молекул, атомов, ионов и элементарных частиц, стремление к устойчивому состоянию которых в определённых условиях вовлекло их в химический «истинно» устойчивый процесс. То есть процесс, протекающий в достаточно обособленной системе с «расширенным» воспроизводством и поэтому обладающий механизмами подвода энергии и/или необходимых компонент и вывода побочных продуктов реакции. Кратко говоря, жизнь – относительно устойчивый процесс, протекающий в определённых условиях, с отработанными механизмами противодействия «самоистребляющим» факторам процесса и противодействия возможным в существующих условиях воздействиям внешней среды. Отсутствие «само-истребляющих» факторов означает, что если окружающие условия не будут очень сильно изменяться, то процесс в этих условиях будет не затухающим, то есть достаточно устойчивым.

Для обеспечения «истинной» устойчивости каталитических процессов «ключевые» элементы системы должны обладать разнообразными свойствами – открытостью, лабильностью, специфическими механизмами взаимодействия с окружающей средой – подвода и отвода различных компонент и защиты от воздействий окружающей среды. Этим требованиям могут удовлетворять только достаточно сложные соединения, находящиеся в неравновесном состоянии. Необходимой сложностью могут обладать органические соединения в определённых условиях. Видимо, поэтому в неорганической химии можно найти только «затухающие» каталитические процессы, для поддержания которых экспериментаторам необходимо часть функций поддержания (незатухания) процессов брать на себя.

Таким образом, живые организмы по необходимости должны содержать органические соединения.

Устойчивость живых организмов и Эрвин Бауэр

Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счёт своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях.

Эрвин Бауэр «Теоретическая биология»

Так как на каждой стадии процесса необходимы движущие силы, предопределяющие наступление следующей стадии, то в живых организмах, как в относительно устойчивых процессах, необходимо поддерживание неравновесных состояний. Это коренное различие в устойчивых состояниях живых и неживых систем легло в основу капитального труда Эрвина Бауэра, венгерского и советского учёного, долгие годы плодотворно работавшего в Москве и особенно в Ленинграде.

Основной закон биологии, сформулированный Бауэром, вынесен в эпиграф этого параграфа. В «Принципах теоретической биологии» он писал: «…Так же как устойчивое равновесие характеризуется тем, что, будучи нарушено, всегда наступает вновь, так и в организмах – в живой материи – неравновесное состояние сохраняется постоянно и обладает всеми признаками устойчивости».

Если неравновесное состояние в живом организме по каким-либо причинам перестаёт поддерживаться, свободные валентности перестают появляться (производиться), то устойчивый процесс прекращается – наступает смерть. Переход от клинической смерти к жизни – «повторный запуск» процесса в сложных живых организмах, возможен лишь в течение непродолжительного времени, иначе процесс скатывания в более глубокую потенциальную яму – соответствующую максимуму энтропии – «абсолютно» равновесному состоянию, будет необратим.

Эрвин Бауэр (1890–1942) был видным и разносторонним учёным, смело вводившим в биологию методы исследования таких наук, как химия, физика и математика. В совокупности для 30-х годов это было огромным явлением биологической мысли. Но различные стечения обстоятельств, в особенности уровень биологической науки того времени и его собственные ошибки, привели к тому, что его подход к созданию теоретической биологии как к разработке общих законов движения живой материи оказался на долгое время незаслуженно забытым. Многие его находки впоследствии были переоткрыты уже на другой основе.

Бауэр в своей работе, с точки зрения устойчивости неравновесного состояния как основного свойства живых организмов, обосновал принудительную необходимость обмена веществ. Раздражимости живых организмов и т. д. Рассматривая обмен веществ, он писал: «Структуры живых систем не являются равновесными, что следовательно для сохранения их, то есть условий системы, необходимо их постоянно возобновлять, то есть постоянно затрачивать работу. Таким образом, химическая энергия пищи употребляется в организме для создания свободной энергии структуры, для построения, возобновления, сохранения этой структуры, а не непосредственно превращается в работу».

Из принципа устойчивого неравновесия живых систем вытекает необходимость обмена веществ вообще и в частности необходимость его в состоянии покоя организма. Напомним, что до вывода «Диалектики природы» обмен веществ с окружающей средой часто предъявлялся в качестве определения жизни.

Бауэр экспериментально обосновал, что обмен веществ, раздражимость, размножение, регенерация, соматический эмбриогенез т. д. нельзя считать главными критериями жизни, её наиболее существенными, первостепенными признаками, а должны рассматриваться как приспособления, частные формы движения материи, поддерживающие устойчивость неравновесного состояния живых клеток, то есть устойчивость «незатухающего» процесса – жизни.

Живые организмы могут жить довольно долго без ассимиляции (без приведения воспринятых из окружающей среды веществ в состояние, свойственное материи этого организма) – просто-напросто голодать. Происходящие в этих условиях процессы – процессы самопереваривания, как показал Бауэр, в физическом (энергетическом) смысле несколько отличаются от тех, которые происходят при обмене веществ. В этом случае не требуется работа для приведения воспринятых молекул в неравновесное состояние (причём специфическое для этого организма) и энергия одних молекул непосредственно используется для работы против наступления равновесия у других. При этом необходимые энергетические затраты организма резко падают, что часто используется в живой природе для пережидания неблагоприятных условий (зимняя спячка многих организмов и т. д.), хотя жизнь при этом не прекращается.

В принципе, жизнь отдельных индивидов может протекать и довольно долго, без роста и размножения – не теряя при этом своих существенных свойств.

Рассмотрев аналогичным образом и другие общие явления жизни. Вслед за Бауэром можно утверждать, что только сохранение устойчивого неравновесного состояния системы является такой характеристикой жизни, которая отличает её от косной, неживой материи. Перефразируя известное изречение, можно отметить, что одно это отличие имеет столько разных следствий, что, даже не зная определения жизни, никто на базаре не заплатит за мёртвую лошадь столько же, сколько и за живую.

Ошибка Бауэра

Через полсотни лет после выхода «Теоретической биологии» хорошо заметны места, в которых Бауэр несколько преувеличил значение принципа устойчивого неравновесия живых организмов, распространяя его влияние на те сферы, где более существенными являются другие факторы. Такое преувеличение является, может быть, даже необходимым для первопроходцев, вынужденных с целью привлечения требуемого внимания к выдвигаемому положению более выпукло показывать силу этого положения – в силу чего некоторые существенные факторы в каких-либо частных вопросах оказываются несколько излишне затушёваны. К. Маркс и Ф. Энгельс по поводу своей работы также высказывали мысли, что, видимо, они сами виноваты в том, что в их учении им пришлось так глубоко освещать экономические аспекты, что при этом оказалось несколько заниженным влияние других факторов, влияние которых менее существенно, но пренебрежение которыми ведёт к нежелательному огрублению анализа действительности.

Такие «ошибки» в процессе познания не являются фатальными. Если их не распространять догматически, они быстро корректируются, а основное – новое зерно «истины» – остаётся. Если бы Бауэром была допущена только такая ошибка, ничего страшного бы не произошло. Но, к сожалению, он допустил ещё одну ошибку, основанную на том, что он не обратил внимания на возможность локального повышения свободной энергии (уменьшение энтропии) в открытой системе. Второй закон термодинамики утверждает, что полная свободная энергия не возрастает в замкнутой системе. В открытой системе такое утверждение не всегда верно и не является законом. Это ошибка привела его к таким утверждениям, как «…общее количество калорий, которое может быть превращено организмом в течение его жизни, зависит исключительно от свободной энергии яйцевой клетки и пропорционально последней».

С точки зрения современной биологии такое утверждение есть преформизм чистейшей воды. Яйцеклетка организма – порождение организма родителя, который сам развился из яйцеклетки, и т. д. Продолжая такой мысленный анализ в глубь веков, невольно сталкиваешься с вопросом о количестве свободной энергии в яйцеклетке «родоначальника». Очевидно, что биология, со значительными издержками (во времени) преодолевшая преформизм (тесно связанный в таком контексте с божественным происхождением жизненной силы), приобретая стойкий иммунитет к нему, отринула не только этот вывод, но и подход, из которого он был сделан.

В дальнейшем, особенно после выхода трудов Пасынского об открытых системах в биологии, такая ошибка стала уже невозможной, но в тридцатых годах она сильно повлияла на темпы развития теоретической биологии в нашей стране. С этой точки зрения, по-видимому, можно сказать, что, не будь Бауэр такими значимым и авторитетным учёным, развитие теоретической биологии (его подхода) и внедрение в биологию математических методов в нашей стране могло быть более ускоренным, перефразируя известную поговорку: «Счастье было возможным, да благоприятствующие обстоятельства помешали».

В настоящее время биологическая наука ушла далеко вперёд. В биохимии и биофизике получено большое число новых результатов, подтверждающих основные верные положения Бауэра. Многие его результаты переоткрыты. Большую роль в этом сыграли кибернетики (с лёгкой руки которых получило второе дыхание понятие «гомеостазиса»), чьё отношение к понятию «устойчивости» частично рассмотрено ниже.

Отношение кибернетиков к устойчивости

Любая машина, стремящаяся к равновесию, совершает соответствующий акт выбора.

У. Р. Эшби «Принципы самоорганизации»

Одним из основоположников кибернетики, кроме вышеупомянутого Н. Винера и некоторых других авторов, считается американский учёный У. Р. Эшби. На международной конференции по принципам самоорганизации (отметив, что термин «самоорганизация» не совсем удачен, так как часто «самоорганизация» зависит и от внешних воздействий, и поэтому внешнюю среду также следовало бы включить в эту «самоорганизующуюся» систему) Эшби привёл следующую теорему и её доказательство:

«Каждая изолированная, детерминированная динамическая система, подчиняющаяся неизменным законам, создаёт “организмы”, приспособленные к их окружающей среде.

Доказательство этого положения в принципе просто. Начинаем с того, что системы в общем стремятся к равновесию. Но большинство состояний системы являются неравновесными (если исключить крайний случай – в безразличном состоянии). Поэтому, переходя из любого состояния к состоянию равновесия, система переходит от большого числа состояний к меньшему. Таким путём система совершает выбор – в том, чисто объективном смысле, что некоторые состояния отвергаются (те, которые она покидает), а некоторые сохраняются (те, в которых она переходит). Таким образом, в той степени, в какой каждая детерминированная система стремится к равновесию, она совершает выбор».

Кратко говоря, главенствующая роль отводится не организмам, которые сами себя организуют, а всей системе, с учётом её воздействия на всё, что в ней содержится. С точки зрения рассматриваемого подхода, объекты этой системы стремятся к своему относительно устойчивому состоянию, соответствующему условиям этой системы. Любые части объектов также стремятся к своим устойчивым состояниям в условиях нахождения в этих объектах и соответствующим воздействием с окружающей средой. Если система изолированная, детерминированная, динамическая и подчиняется неизменным законам, то в конце концов в ней, по необходимости, создадутся «организмы» – приспособленные к устойчивому (в консервативных) или относительно устойчивому (в развивающихся системах) существованию именно в рассматриваемой системе.

Далее Эшби отмечает, что «…равновесие в простой системе тривиально» и «…в более сложной динамической системе состояние равновесия и устойчивость около него могут быть значительно более интересными».

С точки зрения подхода Ахуна Сезимли, равновесное состояние – частный случай устойчивого состояния, и теорема Р. Эшби (а также её оказательство) допускает достаточно широкое обобщение – если в нём под равновесными состояниями подразумевать относительно устойчивые состояния.

Опираясь на явления радиоактивности атомов, Н. Винер в своём трёхстраничном отклике на статью У. Р. Эшби «Конструкция мозга» также высказал мысли, хорошо согласующиеся с идеями подхода Ахуна Сезимли. Основные моменты этого отклика следующие: «…Отсутствие неустойчивых форм, которое мы обнаруживаем в биологических рядах, вследствие их неспособности выживать в борьбе за существование, наблюдается также в эволюции радиоактивных элементов потому, что неустойчивые формы проходят столь быстро, что мы не замечаем их в той степени, как не замечаем формы более устойчивые…»

«…Устойчивость свойственна большей части мира, неустойчивые состояния хотя и существуют, но так ограничены во времени, что мало проявятся при статическом нагружении».

Далее он, предостерегая от абсолютизации, отождествив абсолютную устойчивость с абсолютно равновесным состоянием (с абсолютно максимальной энтропией), уточняет: «…Нас интересуют относительно устойчивые состояния», которые «…подобны равновесным». И в конце делает вывод: «…Именно такие – квазиравновесные – неистинно равновесные состояния связаны с жизнью и мышлением и со всеми другими органическими процессами».

Если (после всего вышеизложенного) не обращать внимания на различия в терминологии Н. Винера и А. Сезимли, то совпадение их взглядов по этим вопросам настолько очевидны, что, на первый взгляд, видно только одно довольно существенное различие. Это различие состоит в том, что, с точки зрения Винера, неустойчивые состояния почти незаметны. А с точки зрения Ахуна Сезимли (совпадающей с точкой зрения И. Пригожина – основателя «бельгийской школы» синергетиков и многих других современных исследователей), неустойчивые состояния можно трактовать как переходные состояния от одного относительно устойчивого состояния в другое. Для поддержания в течение определённого времени неравновесного (неустойчивого) состояния необходимо соответствующее достаточно устойчивое (постоянное или более или менее циклическое, но обязательно достаточно устойчивое) воздействие.

Читатель сам может привести огромное количество фактов и высказываний различных учёных, подтверждающих основную аксиому подхода Ахуна Сезимли, что всякое движение (в самом общем понимании), по возможности, стремится к своему относительно устойчивому состоянию, соответствующему существующим условиям. При этом необходимо иметь в виду, что эффективность относительно устойчивых состояний при изменениях различных внешних и/или внутренних условий может существенно меняться.

Завершая краткий экскурс анализа материальных объектов различного уровня до состояния живой клетки с точки зрения устойчивости, хотелось бы обратить внимание читателя на оригинальную идею известного физика П. Эренфеста, который доказал, что трёхмерность нашего пространства, изменяющегося во времени есть следствие относительно более устойчивого состояния именно трёхмерного мира, по сравнению с n-мерным, где n не равно 3.