Читать книгу Виталика. Проблемы моделирования жизни и разума - Александр Шамис - Страница 3

Как уже отмечалось, считается, что ни одно из экспериментально выявляемых свойств компонентов живой материи не проявляет какой-либо физической или химической специфики, принципиально отличающей живое от не живого. На этом основании говорят о крахе витализма и истинности кибернетических представлений, забывая при этом, что внешние функции и проявления, отличающие живое от не живого, тем не менее, существуют. Можно надеяться, что эти функции и проявления имеют материалистическую основу, хотя выше они и были названы «виталистическими». При этом, такие виталистические функции как ощущение, активность, эмоциональные оценки, сознание, воля, целенаправленность это не только внешние проявления, в первую очередь отличающие высокоразвитые живые системы от не живых, это одновременно и рабочие инструменты поведения и мышления. Особый интерес, возможно в первую очередь, представляет вопрос: что такое и как в живых организмах возникает ощущение, которое в неживых системах отсутствует?

Для понимания, объяснения и определения феномена жизни и мышления простое перечисление виталистических функций живого недостаточно. Нужно определить, как эти функции возникают и работают. При этом я полагаю, что порождаются эти функции не какими-то идеальными «жизненными силами» и не особыми «витальными» физическими или химическими свойствами живой материи, а ее особой организацией и особым способом поддержания существования. Не исключено, что основные «виталистические» функции живого порождаются его главным и характеристическим определяющим свойством, а именно активно поддерживаемым устойчивым неравновесием.

2.1. Жизнь – активно поддерживаемое устойчивое неравновесие

Не только необходимым, но и достаточным признаком (свойством) живого в первую очередь является непрерывно активно поддерживаемые собственными силами и собственной работой свободная энергия и термодинамически неравновесное состояние. Поэтому жизнь это не статическое состояние, а процесс.

На некотором уровне приближения определение жизни может быть сформулировано следующим образом. Жизнь это активная самоорганизующаяся система, обладающая свободной энергией в неравновесном состоянии и непрерывно активно поддерживающая свою неравновесность, целостность и качественную определенность на основе внутренней работы и необходимого целенаправленного взаимодействия с окружающей средой. Слово активность подчеркивает, что действия системы в процессе ее самоорганизации вызываются и направляются ее собственными внутренними причинами. Слово необходимого подчеркивает, что живые системы изолированно в отрыве от среды существовать не могут.

В этом направлении заставляло думать еще классическое определение Энгельса: жизнь есть способ существования белковых тел и этот способ заключается по своему существу в постоянном обновлении их химических составных элементов путем питания и выделения [18].

Лучше всего и точней идею постоянной поддерживающей существование самоорганизации передает определение Бауэра: «все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого существующими физическими и химическими условиями». Это определение Бауэр назвал принципом устойчивого неравновесия [5].

Подытоживая и выделяя основное отличие живых систем от неживых, можно сказать следующее. Неживые системы находятся либо в состоянии равновесия, либо в движении к состоянию равновесия, либо в статическом неравновесном состоянии, поддерживаемом кинетическими ограничениями. Этим определяются все формы движения материи кроме биологической. Уровень свободной энергии в неживых системах либо равен нулю, либо уменьшается, либо зафиксирован на каком-то приблизительно постоянном уровне за счет существующих внешних ограничений, препятствующих диссипации энергии, т. е. превращению свободной энергии в тепловую.

Живые системы постоянно находятся в обладающем свободной энергией активно поддерживаемом динамическом неравновесном состоянии. Достигается это только собственной внутренней и внешней работой системы во взаимодействии со средой. Биологическая форма движения материи это движение, активно направленное против термодинамического равновесия. Из этого следует, что жизнь это непрерывный процесс. Статическое состояние и равновесие для живого это смерть.

Таким образом, жизнь это постоянная борьба со смертью. Эта борьба есть основное и необходимое свойство и сущность жизни. Результатом этой борьбы (если она успешна) является непрерывное самовосстановление или активная непрерывная, антиэнтропийная самоорганизация, динамически поддерживающая собственное неравновесие и свободную энергию. Все это должно удовлетворять общим принципам открытости, активности, целенаправленности и целостности.

Существуют и иные представления о самоорганизации живых систем. Это, в первую очередь представления, развиваемые в синергетике и основывающиеся на теории диссипативных систем и неравновесной термодинамики Ильи Пригожина [12]. Популярные в последнее время у биофизиков и кибернетиков диссипативные системы Пригожина пассивны и в целом находятся в равновесии со средой. В этих системах необходимый постоянный приток энергии из среды компенсируется диссипацией энергии и ее оттоком в среду. Локальная неравновесность в этих системах возникает пассивно при принудительном подводе к ним энергии. Соответствующая этому свободная энергия выделяется в среду, т. е. диссипирует через тепловой канал. Интерпретировать на этой основе жизненные явления нельзя. Сама по себе неравновесность жизни не образует. Жизнь это особый способ поддержания неравновесия. Правда, иногда, никак не раскрывая этот способ говорят или подразумевают, что неравновесность может возникать в диссипативной системе при подводе к ней энергии и превращать неживую систему в живую за счет каких-то таинственных неизвестных свойств материи. (Фактически это шаг к классическому Витализму).

Диссипативные системы Пригожина можно назвать системами пассивной или принудительной антиэнтропийной самоорганизации. Живые системы это системы активной антиэнтропийной самоорганизации. В отличие от диссипативных систем Пригожина в живых системах неравновесие возникает не принудительно при внешних воздействиях, а является исходным внутренним свойством системы. Создается и поддерживается неравновесное состояние и соответственно свободная энергия живой системы активно и целенаправленно выполняемыми системой внутренней и внешней работой. Эта работа (как внутренняя, так и внешняя) выполняется за счет траты собственной энергии системы. Работа системы, а соответственно и собственная свободная энергия, направляются на восстановление уровня свободной энергии, т. е. на самовосстановление [5]. Из этого следует, что живые системы диссипативными не являются.

Внутренняя выполняемая на клеточном уровне работа живой системы состоит, в конечном счете, в восстановлении уровня неравновесия. Важным звеном этого процесса является непрерывный синтез неравновесных органических соединений. Эти синтезируемые соединения замещают постоянно разрушающиеся структуры. Разрушение или выравнивание потенциалов с выделением энергии (диссимиляция) и требующее энергии восстановление неравновесия, в том числе и синтез живого вещества с использованием поступающих из среды веществ (ассимиляция), это основные важнейшие жизненные процессы.

Следует подчеркнуть, что к ассимиляции полезно относить не только синтез живого вещества, но и создание термодинамического потенциала, например, создание неравновесной молекулярной структуры или создание разности потенциалов на мембране клетки. Соответственно к диссимиляции нужно относить не только разрушение живого неравновесного вещества, но и выравнивание потенциалов. Диссимиляция сопровождается выделением энергии, которая используется не только для ассимиляции, но и для внешней работы. (Расщепление пищевых продуктов в желудочно-кишечном тракте диссимиляцией не является. Выделяемая при этом энергия ассимиляцией не используется).

Для выполнения клеткой внутренней работы, направленной на синтез живых неравновесных структур, кроме собственной энергии живой системы нужен подвод в клетку извне определенных необходимых компонентов. Это делает внешняя работа. Внешней по отношению к клетке является не только работа, направленная на взаимодействие с внешней средой живой системы, но и работа собственных систем жизнеобеспечения, например, систем кровообращения, пищеварения, дыхания.

Таким образом, для непрерывного выполнения живой системой синтеза неравновесных органических соединений в нее извне (из среды) должны поступать определенные компоненты. У растений это, в первую очередь, необходимые для фотосинтеза свет, углерод и вода. У животных это, в первую очередь, необходимое для биосинтеза питание в виде биоорганических соединений, т. е. в виде других живых или мертвых растений или животных.

Первичным и абсолютно необходимым для поддержания жизни на Земле пока еще является выполняемый растениями фотосинтез. Без аккумулирующего солнечную энергию фотосинтеза жизнь на Земле развиваться и сохраняться не могла и не может. Без растений и зависящих от них травоядных животных хищникам попросту было бы нечего есть.

Итак, жизнь это постоянно выполняемая живой системой в контакте с внешней средой активная целенаправленная самоорганизация, или непрерывная, выполняемая на клеточном и внешнем уровне постоянная борьба со смертью.

Все это принципиально отличает жизнь от не жизни. Эти представления опираются главным образом на теорию Эрвина Симоновича Бауэра [5]. Соответствующая приведенным представлениям биологическая форма движения материи должна порождать и быть необходимой причиной и основой возникновения всех отмеченных выше «виталистических» свойств живого и, в первую очередь, таких, как активность и целенаправленность.

На какой физической основереализуется неравновесие в живой системе?

Однозначного общепринятого ответа на этот вопрос нет. Это считается принципиальной нерешенной проблемой. Обсуждались и обсуждаются разные варианты. Например, живой белок (протеин), обычный белок в особом структурном состоянии, например, возбужденное состояние живых молекул (Бауэр), молекулы АТФ, разность потенциалов на мембране клетки, заселенность верхних электронных уровней молекул, внутриклеточная пограничная вода и др.

Рассмотрение этих и других гипотез об основном носителе свободной энергии и неравновесия в живой системе частично упрощается, а может быть, проблема и полностью снимается тем, что разные варианты реализации устойчивого неравновесия в живой системе не должны обязательно рассматриваться как взаимоисключающие альтернативы.

К сказанному нужно добавить, что жизнь это не только создание и поддержание некоторого уровня порядка (производство антиэнтропии), но и непрерывный эволюционный процесс повышения этого уровня, т. е. развивающийся и ускоряющийся процесс упорядочивания. Очевидно, что как направление, так и ускорение прогрессивной эволюции не задаются живому извне, а могут быть только следствием действия положительных обратных связей. Важно определить на биологическом уровне и конкретизировать эти положительные обратные связи.

На этом в принципе говоря о биологической форме движения материи, т. е. об определении жизни, можно было бы и остановиться и перейти с общего уровня к рассмотрению конкретных виталистических свойств живого. Однако, прежде чем сделать это, нужно поставить уже возникающий и самый трудный основной вопрос:

Почему живые системы постоянно и непрерывно борются со смертью, т. е. что заставляет живую систему быть активной и осуществлять движение к неравновесию?

Иными словами:

Как возникает и как реализуется активность в живой системе?

Или:

что заставляет живую систему активно совершать работу по самоорганизации и самовосстановлению и

что управляет этой работой?

Для ответа на эти вопросы можно, конечно, снова ограничиться ссылками на такие необъяснимые свойства живого как энтелехия или жизненный порыв. Полного конструктивного материалистического ответа на эти вопросы пока еще нет. Ссылка на кибернетические отрицательные обратные связи недостаточна.

Однако, все же возможен гипотетический ответ, не выходящий за рамки очень общей схемы.

Необходимую работу живой системы вызывает непрерывное изменение ее внутреннего состояния. Активнойработой живой системы управляют ее ощущение собственного состояния и внутренние оценки состояния. Эти оценки включают оценки собственного текущего состояния и оценки изменения своего состояния в результате возможных действий. Оценки такого рода есть уже у простейших живых систем, в том числе и у растений. Это конечно далеко еще не эмоции в полном понимании, но какой-то элементарный зачаток эмоций.