|
|
|
Ни один физический закон не подвергался такому настойчивому и последовательному придирчивому анализу, как второй закон термодинамики. Биология ставит перед наукой проблему создания закономерности нового типа, описывающей существующую в природе тенденцию к организованности, к асимметрии, проблему нового научного метода. Новый метод противоположен господствующему и входит с ним в конфликт. Однако результатом этого конфликта должно быть не ниспровержение существующего метода, а их синтез. Но прежде чем станет возможен этот синтез, нужно решить вопрос о том, что же такое асимметрия... |
Почему кирпич "совершенно мёртвый", или Наука о жизни в поисках объяснений, что такое жизньЭто не значит, конечно, что бессмысленно выносить какие-либо определённые суждения. Так, автор статьи, содержащей восторженный "гимн" асимметрии живого, вполне определённо проводит "линию демаркации" между физикой и биологией: в физике, отождествляющей порядок с симметрией, асимметрия предстаёт как негативное понятие, в то время как в биологии оно выражает смысл упорядоченности, динамичности структурной организации живого, то есть имеет позитивное содержание. Соответственно проблема происхождения жизни оказывается проблемой возникновения молекулярной асимметрии, и этот взгляд, как считал в своё время и Дж. Бернал, имеет право на существование среди других, тоже умножающихся, подходов к скачку от не-жизни к жизни. Но если асимметрия столь важна для живого, то как тогда представить себе пути его познания, как осмыслить (или переосмыслить) основы научного метода? Опять исчезает определённость, а пространство вопросов, как "анти"- шагреневая кожа, увеличивается на глазах. Дело в том, что асимметрия успешно изучалась и будет изучаться теми методами точных наук, которые неразрывны с представлением о научном методе в биологии в целом. Достаточно ли этого? Надо ли менять метод, коли он так тесно связан с точными науками, ориентированными в целом как раз на симметрию? Что могут и чего не могут эти науки в познании асимметричного в живом противоречия симметрии и асимметрии? Вопросы поставлены. Автор кратко выразил свою позицию: да, надо менять метод, надо признать несовершенство господствующего и создать нечто новое, способное ассимилировать старое в новом синтезе. Но проблема "старого – нового" в методологии требует детального и развёрнутого анализа содержания этих понятий. Философию часто и с лёгкостью обвиняют в отсутствии точности, как бы не замечая того, что именно философия предостерегает от неопределённости в суждениях, от "размытости" содержания понятий, от недооценки исследования самого познавательного процесса в целом. Эта статья хорошо иллюстрирует мысль о том, что теоретические проблемы естествознания неизбежно "перегибаются" в философские, а вынесение "приговора" сущности жизни как было, так и остаётся скорее не естественнонаучной, а философской проблемой. Самое главное в ней – не абсолютизация того или иного свойства живого, не суммирование многих из них, а осознание нарастающих трудностей в разрешении её, предлагаемых направлений развития мысли и их относительной результативности сообразно современным представлениям о теории и практике биологии. Увы, нет ни в самой природе, ни в познании "золотых ключиков"...
Все еще "энтелехия"! Легавый щенок Ромка делает свою первую стойку по кирпичу, который он принял за живое Существо. Ситуация, описанная Пришвиным, комична, так как всем, кроме щенка, ясно, что кирпич "совершенно мертвый" и сам прыгнуть не может. Никому не надо объяснять, что живой песик и кирпич – абсолютно разные вещи. Но знаем ли мы, в чем именно состоит причина их столь резкого различия? Ведь химические элементы, из которых они состоят, – углерод, кислород, водород и другие – одни и те же. Почему же в одном случае из этих элементов получается мертвый камень, а в другом – трепетное живое существо? Это одна из самых трудных загадок, заданных науке природой. Удивительно долго продержалось убеждение в том, что живая природа отличается от неживой наличием некоей жизненной силы – энтелехии. А что это такое? Неизвестно, но ясно, что это нечто, не поддающееся научному объяснению. Некий стихийный образ идеи дополнительности, если ее толковать расширительно, появлялся в науке каждый раз, когда существовала необходимость отделить непонятную, необъяснимую сторону явления от объяснимой имеющимися научными средствами. История с флогистоном достаточно типична. Сегодня и энтелехия и флогистон преданы забвению. Но преодолела ли биология энтелехию окончательно, чтобы изгнать ее из науки, как это сделала химия с флогистоном? Увы, нет! Это, как говорится, было бы слишком хорошо, чтобы быть правдой. До сих пор теоретическая биология находится в плену физико-математико-химических методов, законов, принципов, не позволяющих ей избавиться от "энтелехии". Если согласиться с мнением Гейзенберга, для которого "знание о том, что клетка живет, возможно, является чем-то дополнительным по отношению к полному знанию ее "молекулярной структуры", то придется вернуться к старой идее о дополнительности жизненной силы и косной материи. Но ведь знание молекулярной структуры, причем структуры не в физическом, а o биологическом cмысле, – и есть знание того, что клетка живет. Ничего дополнительного здесь быть не может. И тот самый принцип дополнительности, который в физике весьма эффективен, так как позволяет удерживать в единстве два противоположных определения одной и той же сущности, в биологии оказывается уже гораздо менее "работающим" (а если иметь в виду собственно биологию, то есть то, что останется за вычетом из нее физики, химии, математики, то и вовсе "не работающим"), ибо здесь на первый план выступают уже не две стороны противоположности, а их единство, неразъединимость. Нужно только внести небольшое уточнение. Речь идет не просто о структуре клетки, как, например, можно было бы говорить о структуре кристалла, а о структуре-процессе. Но умеем ли мы описывать структуру-процесс или жизнь клетки? Линия демаркации Итак, повторим наш вопрос: лежит ли в основе столь резкого различия между живой и неживой природой некое общее отличительное свойство живого вещества? Биофизик ответит на него утвердительно. Да, такое свойство существует и называется оно "оптической активностью". Это чисто физическая способность молекул живых систем вращать плоскость поляризации света, обусловленная, по-видимому, их асимметричным строением. 0б оптической активности было известно задолго до открытия молекулярной асимметрии. Таким свойством обладают, например, асимметричные, то есть существующие в правой и левой формах кристаллы кварца: кристаллическая решётка таких кристаллов не обладает зеркальной симметрией, она как бы скручена наподобие правого и левого винта, и если пропускать через такой кристалл поляризованный свет, то происходит вращение плоскости поляризации вправо или влево, в зависимости от ориентации кристалла. Однако по отдельности молекулы кварца не обладают оптической активностью, и раствор кварца оптически нейтрален, значит, вращающую способность нужно приписать строению кристаллической решётки кварца. А не встречается ли оптическая активность в других случаях на молекулярном уровне? Этот вопрос живо интересовал Луи Пастера, которому было известно о вращающей способности некоторых органических соединений. Так, винная кислота – продукт брожения винограда – оптически активна. Но Пастер знал также о существовании и другой, так называемой рацемической, винной кислоты, получаемой химическим путем, совершенно похожей на первую по своим химическим свойствам, но оптически нейтральной. Как могут два вещества не различаться по своим химическим свойствам, и по-разному реагировать на поляризованный свет? А что если молекулы винной кислоты асимметричны, рацемическая же кислота отличается от оптически активной тем, что в ней помимо правых имеются и левые молекулы и раствор в целом оказывается симметричным? Чтобы проверить свою догадку, Пастер кристаллизовал рацемическую кислоту. Под микроскопом действительно оказались кристаллики двух типов. Пользуясь тончайшими инструментами, Пастер отделил под микроскопом правые кристаллики от левых. Приготовленные растворы вращали плоскость поляризации света в противоположных направлениях! Один из растворов соответствовал винной кислоте, получаемой из винограда, а другого вообще не существовало в природе! По описанию Дюбо, Пастер в сильном возбуждении выскочил из лаборатории и, заключив в объятия первого попавшегося в коридоре ассистента-химика, воскликнул: "Я только что сделал великое открытие!" У нас не хватит воображения, чтобы представить и оценить все последствия, которыми чревато это открытие. Однако сегодня поражает не само открытие (собственно, природа молекулярной асимметрии была установлена гораздо позднее), но смелость, граничащая с дерзостью, и верность выводов, которые Пастер сделал на его основании. Он заявил, что молекулярная асимметрия является привилегией живой природы, что это "единственная четкая демаркационная линия, которую в настоящее время можно провести между химией живой и неживой природы". Сегодня можно считать установленным, что все важнейшие вещества, играющие в организме первостепенную роль, имеют определенный знак асимметрии (или, иначе, хиральность), всегда один и тот же для всех живых систем на нашей планете. Так, все аминокислоты, входящие в состав белков, имеют левую конфигурацию. Правые формы, встречающиеся в антибиотиках, например, так же редки, как античастицы в нашем мире. Чрезвычайно интересно, что вне живых систем в органических соединениях обычно их правые и левые молекулы находятся примерно в равных количествах, как бы уравновешивают друг друга, и соединение в целом оказывается симметричным относительно оптического ядра. Если в лабораторных условиях синтезировать аминокислоту или белок из их компонентов, то продукт синтеза будет состоять нз примерно равного количества левых и правых форм, то есть будет симметричным, нежизнеспособным. Чтобы разделить его на антиподы, нужно совершить работу. Оптически активное вещество вне организма в течение определенного времени становится нейтральным. Чтобы предотвратить это, требуется непрерывная затрата энергии. Между тем живой организм поражает чистотой асимметрии, которая является непременным условием жизни. Как возможна жизнь? или Второй закон термодннамики Для физика жизнь – это явление, граничащее с чудом. "Короткая вспышка во мраке нескончаемой ночи", как сказал бы поэт. Но не потому, что физик наделен поэтическим воображением, дело o том, что физические законы – и в особенности второй закон термодинамики – запрещают асимметрию. Согласно второму закону статистическая система, изолированная от внешних воздействий, деградирует от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному до полного выравнивание энергий и наступления термодинамического равновесия. Как же могла возникнуть асимметрия, спрашивает биофизик, если второму началу термодинамики соответствует "нейтральная" смесь, а не асимметричные антиподы? Проблема происхождения жизни – это прежде всего вопрос о возникновении молекулярной асимметрии. В согласии с некоторыми экспериментами можно допустить, что в "первобытном бульоне" океанов под действием мощных электрических разрядов и при определенном температурном режиме могли синтезироваться аминокислоты – "элементарные кирпичики" живого вещества, но в симметричной смеси правых и левых молекул. Как могла эта смесь самопроизвольно разделиться на антиподы? Каким образом затем жизнь развилась в одной из этих двух форм, условно названной L-формой? Почему только в одной и почему именно в "левой"? Что позволяет живому организму противостоять "нейтрализации" и сохранять свою асимметричную чистоту? Целая серия "чудес". Вопрос можно поставить и в общем виде: как возможна жизнь в мире, где действует закон возрастания энтропии, ведущий прямо к деградации и смерти. Вопрос этот все еще остается открытым. Продолжающиеся дискуссии вокруг этой одной из самых "горячих" точек современного естествознания позволяют выделить, как это делает Леон Бриллюэн, три сложившиеся уже группы мнений. Представители первой группы считают, что имеющихся в арсенале науки физических и химических законов вполне достаточно, чтобы с их помощью объяснить феномен жизни без привлечения какого-либо "жизненного начала". Вторая группа склоняется к мнению о возможной недостаточности наших познаний в области физики и химии для объяснения явлений жизни. Хотя жизнь не противоречит уже известным законам, однако вполне допустимо, что в природе действуют и другие законы, позволяющие понять это явление. Третью, самую "еретическую" группу мнений приведем в изложении Бриллюэна. Приверженцы этой группы считают, что "...феномен жизни невозможно понять, не прибегая к "жизненному началу". Наши законы термодинамики, особенно второй, относятся только к мертвым, инертным объектам; жизнь этому закону не подчиняется, а новое "жизненное начало" должно будет выявить те условия, в силу которых жизнь противоречит второму началу термодинамики". Заметим, что первая и третья группы плохо выдерживают критику. Первая – из-за полного игнорирования "жизненного начала", третья – из-за апелляции к нему. Противоположности сходятся. Одна крайность перечеркивает специфику биологического знания, другая абсолютизирует ее настолько, что пытается доказать несостоятельность физического закона. Однако коль скоро речь идет о молекулярном уровне материи, то как может случиться, что физический закон, описывающий симметричные состояния молекул, оказывается недействительным по отношению к асимметричным? Это было бы по меньшей мере странно. Иногда пытаются объяснить неприменимость закона возрастания энтропии к живым организмам на том основании, что последние являются неизолированными, открытыми системами. Но, с одной стороны, изолированная система – это более или менее сильная идеализация (строго говоря, изолированных систем не существует в природе), а с другой – "изолировать" можно и живой организм. Результат известен: живое существо погибнет и быстро разложится в полном согласии с обсуждаемым законом. Считать, что второй закон термодинамики прекращает свое действие при переходе к живой природе, так же наивно, как полагать, что птица поднимается в воздух потому, что ей удается ниспровергнуть закон тяготения. Ни один физический закон не подвергался такому настойчивому и последовательному придирчивому анализу, как второй закон термодинамики. И объясняется это отчасти тем, что жизнь действительно есть то самое крайне маловероятное состояние, которое заставляет усомниться в универсальности этого закона и предположить, что наряду с ним в природе, возможно, действует и другой закон, не известный нам. Здесь уместно привести мнение Эрвина Шредингера по этому поводу, изложенное в его широко известной книге "Что такое жизнь? С точки зрения физика". По признанию автора, единственная причина, побудившая его к написанию этой книги, заключается o том, что "...деятельность живой материи, хотя и основана на законах физики, установленных к настоящему времени, но, по-видимому, подчиняется до сих пор другим неизвестным законам физики, которые, однако, как только будут открыты, должны составить такую же неотъемлемую часть этой науки, как и первые". Мнение это без колебаний можно отнести ко второй из перечисленных групп, а если уточнить, то можно сказать, что Шредингер обнаруживает чисто физический подход к проблеме, утверждая далее, что новый закон (или законы) должен быть основан на статистике. Но к проблеме можно подойти и с других позиций, например, с позиций кибернетической физики, как это делает Альберт Дюкрок в статье "Физика кибернетики". "Все примеры, на которых физики основываются в своих выводах об энтропии, – пишет Дюкрок, – обладали одной общей чертой: речь шла всегда об "анархических системах", то есть системах, состоящих из независимых компонентов, или "системах без внутренней обусловленности". (Заметим, что Шредингер называет такие системы статистическими.) Газ в помещении ведет себя как "анархическая" система. Но скопления водорода в космическом пространстве проявляют черты направленного поведения. Здесь гравитация играет роль "концентрирующего фактора", направляя "водород к тем областям, где он случайно стал скапливаться. А тогда асимметрия, которую мы называем упорядоченностью, перестает быть случайностью и становится состоянием, к которому система стремится; тогда все понятия о вероятности теряют смысл, так как мы имеем дело с системой, эволюция которой идет не случайно, а обусловленно". Это система с обратной связью. Процесс в такой системе "питает сам себя со все нарастающим размахом: развитие становится неизбежным". Таким образом, область термодинамики – "это системы, состоящие из независимых компонентов". Если выйти из этого состояния нулевой организации, то перед нами встанет "проблема создания физики организованных систем". Возможен и биофизический подход к проблеме (оснований и границ второго закона термодинамики). На языке этого закона невозможно описывать явления жизни по той простой причине, что нет способа измерить энтропию живых систем. Живой организм для этого закона как кибернетический "черный ящик". Можно измерить энтропию на входе и на выходе, и в этом случае достигается согласие с обсуждаемым законом: на выходе энтропия выше, чем на входе. О положении же дел внутри "ящика" мы по этим данным судить не можем. Однако биологи располагают данными, позволяющими утверждать, что живое вещество отличается величайшей динамической упорядоченностью – асимметрией – и способностью самоподдержания ее, на первый взгляд (то есть с точки зрения второго закона) в совершенно безнадежных условиях. Естественно предположить существование закона, объясняющего эту организованность, или асимметрию. Физические законы не меняются с модой, но и не скрепляются гербовой печатью. Будучи обобщением какого-то количества экспериментальных данных, они подвергаются сомнению не с целью ниспровержения, а для установления пределов их применимости. Если в результате экспериментов становится ясно, что вне данных границ закон "не работает", пытаются сформулировать новый закон, который охватывал бы более широкую область явлений и который включал бы в себя прежний закон в качестве частного случая. Со вторым началом термодинамики дело обстоит несколько иначе. С самого начала следует отметить интересное своеобразие этого закона в ряду других физических законов, симметричных по отношению ко времени. Он-то как раз несимметричен во времени. "Поразительное совпадение, – пишет Бриллюэн, – именно жизнь и второй закон термодинамики являются двумя важнейшими примерами невозможности обратного хода времени, что указывает на какую-то внутреннюю связь между ними". Закон этот описывает одну из наблюдаемых в природе тенденций – стремление к деградации, к увеличению беспорядка. С установлением его границ становится очевидной необходимость формулирования нового физического закона, который описывал бы противоположную тенденцию, – к организованности, к асимметрии, к развитию. Здесь налицо не просто необходимость в расширении существующего закона, а проблема создания закона нового типа. "Свое лицо" биологии Итак, скачок от неживого к живому означает переход от симметричного молекулярного строения к асимметричному, обеспечивающему величайшую подвижность и организованность живого вещества. Установив это, удалось убить сразу двух зайцев: теперь можно обходиться без "энтелехии" при объяснении феномена жизни и "заодно" ликвидировать пропасть между живой и неживой природой. Асимметрия выступает как мера организованности биологического пространства живых систем. Тепловые или термодинамические эффекты сведены здесь к минимуму. Благодаря определенным механизмам синтеза, огромным скоростям обменных реакций ("метаболическому вихрю"), способности быстро избавляться от молекул с ошибочным кодом и т. д. организму удается поддерживать свою асимметрическую чистоту. Что же произойдет, если организм не сможет противостоять "нейтрализации" и вовремя удалять молекулы с ошибками по части асимметрии? Есть гипотеза, согласно которой такие ошибки, накапливаясь, могут привести к опухолевому росту. Гипотеза эта еще ждет экспериментальной проверки. Асимметрия известна не только на молекулярном уровне (аминокислоты, нуклеотиды), на уровне биополимеров (белки, ДНК) или на уровне клеток, она "буквально пронизывает всю биосферу, проявляясь в строении, расположении и функции внутренних органов и мозга живых организмов, определяя не только статичную структуру живого вещества, но и структуру-процесс" (и регуляцию этого процесса) и проявляясь даже во внешне симметричном строении большинства организмов (обусловленном необходимостью сохранять равновесие в условиях земного притяжения). "Правша или "левша" – это, очевидно, то самое нарушение симметрии, которое дает возможность живому существу избежать ситуации с буридановым ослом, павшим жертвой симметрии. Даже математическая статистика биологических систем оказывается асимметричной, "однохвостой", как пишет Ю. Чайковский в статье "Изумительная асимметрия" ("Знание – сила", 1981, № 2). "Наш мир кособок, но кособок изумительно правильно", – заключает автор. Наш мир, и в особенности мир живой природы, асимметричен, то есть обладает такой многосложной динамической упорядоченностью, которая способна повергнуть в изумление самое изощренное воображение. И первое, что, как нам кажется, должна сделать биология, – это избавить науку от мнения, получившего силу предрассудка, о том, что асимметрия есть беспорядок. Но что такое асимметрия? Если спросить об этом физика, то он пробурчит в ответ что-нибудь вроде: ну, это, когда нет симметрии. Если попросить разъяснений, он начнет с симметрии. Симметрия – самая волнующая тема в физике наших дней. Это нить Ариадны в лабиринтах современной теоретической физики. Это не только симметрия физических законов (законы можно преобразовать, сохраняя при этом их форму, или законы симметричны относительно определенных преобразований), но и закон как симметрия. Закон ведь есть "идентичное в явлении", то есть сохраняющееся, симметричное в изменяющихся явлениях мира... Если напомнить физику, что вопрос, собственно, был об асимметрии, то он скажет, что асимметрия – это нарушение симметрии. Каждый раз, когда в теории или вообще в объекте познания обнаруживается асимметрия, переходят на новый, более глубокий уровень исследования, где утраченная симметрия вновь восстанавливается. Большего об асимметрии от физика добиться не удастся. Асимметрия в физике – понятие чисто негативное, симметрия – состояние равновесия, асимметрия – нарушение равновесия, симметрия – сохранение каких-то свойств в изменяющемся объекте, асимметрия – их несохранение, симметрия – порядок, асимметрия – отсутствие порядка. Удивительное дело, если речь идет о биологии и нам непременно нужно говорить об асимметрии как об "отсутствии", то асимметрия может быть представлена как отсутствие... смерти. Двусмысленности здесь нет. Живое и неживое, асимметрия и симметрия – это противоположные стороны единого целого, две стороны одной медали, как принято говорить. Наука, современный научный метод позволяют описывать мир вообще и живую природу в частности именно с "противоположной стороны": время – в терминах пространства, движение – в терминах покоя, изменение и развитие – в терминах сохранения, жизнь – в терминах Смерти. И поэтому именно в биологии при попытках описания феномена жизни господствующий общенаучный метод впервые со всей очевидностью обнаруживает свои границы, точнее, свою односторонность. В биологии известный тезис о том, что делать науку – значит формализовать наши знания, начинает хромать. Наука о живом ставит нас перед фактом: формализация (и симметризация) – это только один лик науки. Следует узреть и другой ее лик, чтобы подойти к проблеме живого. Говорить же о живом на языке неживого можно – если впустить в науку энтелехию, то есть если принести в жертву научность. Парадоксальнейшая ситуация: научный метод, выведенный за собственные границы, оборачивается ненаучностъю. Биология ставит перед наукой проблему создания закономерности нового типа, описывающей существующую в природе тенденцию к организованности, к асимметрии, проблему нового научного метода. Новый метод противоположен господствующему и входит с ним в конфликт. Однако результатом этого конфликта должно быть не ниспровержение существующего метода, а их синтез. Но прежде чем станет возможен этот синтез, нужно решить вопрос о том, что же такое асимметрия... |
| Дата публикации: 20 мая 2003 года | В начало |
| Источник информации:
«Знание – сила», № 6, 1982.
Электронная версия. |
© "От молекул до планет", 2006 (2002)... |
