Жизнь с точки зрения физики и химии

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 методологически можно ожидать успеха, как это мы видели на примере космомикрофизики. 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 базис пространства этих векторов.

Введение представления  фазового пространства в нелинейной динамике также дает возможность  анализа процессов жизнедеятельности  организма. В диссипативных структурах за порогом неравновесного фазового перехода в среде возникают когерентные взаимодействия. Как нам уже известно, использование нелинейных 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 структура 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 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 флуктуации и бифуркации. Получается, что обычный аттрактор описывает устойчивое равновесие порядка, а странный - неустойчивое равновесие детерминированного хаоса.

Их динамическое (а может  быть, и гармоническое) сочетание  и определяет эволюционный процесс  развития живой системы. Этот спектр структур-аттракторов представляет собой поле путей развития, бифуркационное дерево возможных ветвящихся направлений развертывающихся событий. Он может определяться воздействиями управляющих параметров и внутренними свойствами среды, 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 подхода 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 окружающей 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.

Поэтому диссипативная структура живого организма обладает более дифференцированными и организованными уровнями упорядоченности, требующими для своей жизнедеятельности больше энергии, чем для поддержания функционирования простых структур. Энергия как бы творит более высокие уровни организации. Естественно, что дифференциация ведет к усложнению системы, пределом которого может быть достижение неравновесного состояния, характерного для живых организмов.

Действительно, из 111 химических элементов природы организм использует только 22, причем на 99% он состоит из легких элементов: Н₂, О₂, С и N₂, соответственно 60, 25, 10 и 2%. Принцип оптимальной конструкции живого выступает здесь как частный случай всеобщих физических принципов оптимальности и наименьшего действия. Чем выше организация, тем эффективнее использует живой организм энергию, получаемую из внешней среды в процессе обмена веществом.

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 эволюция должна идти не только по сложности и степени организованности, но и по степени функциональности, и эта функциональность играет более активную роль в эволюции, чем структура. 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  организации, то ее можно связать с общим законом самоорганизации материи: процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Это биологический закон дивергенции (можно сравнить его с физическим смыслом дивергенции - расходимостью), что можно понимать как «расходимость» видов. На это указывал еще В.А. Энгельгардт, 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 квантов света в потенциальную химическую энергию органических молекул при фотосинтезе, 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 является химическое соединение аденозинтрифосфат (АТФ).

На рост разнообразия, как  одной из существенных характеристик  живого, обращает наше внимание и  Н.В. Тимофеев-Ресовский: «Одно из проявлений живого состоит не в том, что нарастает масса живого. а в том, что множится число элементарных индивидуумов и особей». Разнообразие по своему существу - это гарантия устойчивого существования, отбора наиболее приспособленных организмов и нужного для развития взаимодействия с окружающей средой.

Отметим еще один биологический  закон, также объяснимый в рамках синергетики. Структура 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 клетка 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 Медникова, «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.

Пространство  и время для живых организмов

Остановимся здесь на представлениях пространства и времени 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 активностью живых организмов и свойственно человеку с его желанием реализовать свои способности в пространстве и времени. Как мы увидим дальше, в мире молекулярной биологии для молекул ДНК и РНК 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 окружающей 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.

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 социуме 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 ареал 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 окружающей среде. В биологии это называется поисковой активностью 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. 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 В.И. Вернадский говорил, что «в живой природе пространство имеет одну особенность -  необратимость, зависящую от времени».

В случае самоорганизации  каждая система координирует свои внутренние процессы в соответствии с собственным  временем. Пригожин назвал это релятивизмом системного времени и отмечал, что как только формируется диссипативная структура, однородность пространства и времени нарушается. Более того, он считал, что живые системы наделены способностью ощущать направление времени. Эту направленность времени хорошо чувствует психология. Биологические пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров организации материи: биологического бытия человеческого индивидуума, смену видов растительности и животных, фазы их развития. Еще Аристотель 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 организацией. Такое представление называют 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.