Феномен жизни и первая фундаментальная бифуркация

Отбирая материал для методологического дополнения, я все время пытаюсь перебросить мост между естествознанием и гуманитарными науками, показать, что они могут излагаться на одном языке - это все составляющие одной системы знания, неразрывно связанные между собой. Более того, мне хотелось показать, что проблемы истории человека и его духовного мира нельзя оторвать от того, что происходит вокруг нас, от развития и Природы. Очень многие понимают эту связь, но рассматривают ее как одностороннюю: Природа влияет на человека, участвует в формировании цивилизации, но не наоборот. Но теперь цивилизация становится одним из важнейших геологообразующих факторов, поэтому происходящее в Природе зависит и от человека. Вот почему, говоря о развитии живого вещества на нашей планете, я буду стремиться использовать тот же язык динамических систем, который наиболее соответствует описанию происходящего в Природе. Это особенно удобно для описания процессов информационной природы, которые наиболее ярко показывают общую направленность мировой эволюции и объясняют в некотором смысле предопределенность появления интеллекта и общественных форм развития живого вещества, коль скоро оно уже возникло.

Сама Земля и все, что на ней происходило вчера и будет происходить завтра, суть частные проявления единого процесса самоорганизации материи, подчиняющейся единой системе законов, действующих в Универсуме. Эти законы тоже, вероятно, изменяются во времени (во всяком случае, такая гипотеза естественна), но характерные значения времени их изменения лежат за пределами доступных нам знаний и измерений. Это заставляет нас считать их неизменными.

Все развитие нашего мира выглядит сложным переплетением разнообразных противоположных начал и противоречивых тенденций на фоне непрерывного действия случайных причин, разрушающих одни стабильные структуры и создающих предпосылки для появления новых. Несмотря на огромные достижения науки послевоенных лет, она, как и во времена Вернадского, беспомощна поднять завесу над основной земной тайной - тайной ЖИЗНИ. Появление ЖИЗНИ на нашей планете, возникновение буфера между космосом и неживым, или, по терминологии Вернадского, косным веществом Земли, как и много лет тому назад, остается уделом гипотез, которые до сих пор не подкреплены надежным эмпирическим материалом. Мы знаем только то, что около четырех миллиардов лет тому назад на Земле появилась качественно новая форма организации материи, которая обладает рядом удивительных свойств. И главное из них - усваивать энергию Солнца с помощью фотосинтеза, снова производить живое вещество из косного вещества планеты.

Удивительно и то, что жизнь на нашей планете вспыхнула практически мгновенно, практически одновременно с появлением Земли как космического тела. Во всяком случае через миллиард лет после того, как Земля сформировалась в качестве небесного тела, на ее поверхности уже существовала развитая биосфера - сфера функционирования живого вещества. Это были прокариоты, которые, используя углекислый газ, производили кислород - для них смертельно ядовитое вещество! К этому времени возникли не просто очаги жизни, а биосфера как целостная система. Она, конечно, была совсем иной, чем мы ее представляем сегодня. Но это была уже настоящая сфера жизни, и мы видим остатки ее былой и весьма интенсивной жизнедеятельности.

Появление на Земле живого вещества качественно изменило геологическую историю, многократно ускорив все геохимические процессы в ее внешней оболочке. На поверхности Земли возникли океаны, а вокруг нее сформировалась мощная атмосфера, содержащая не только углекислоту, но и кислород (правда, в ничтожных количествах).

Для того чтобы правильно оценить роль живого вещества в мировой эволюции и те скрытые возможности, которые таит этот процесс, достаточно сопоставить состояние двух космических тел - Земли и Луны. Все, что мы видим на Земле вокруг нас, порождено ЖИЗНЬЮ. Ничего похожего мы не видим на Луне.

О причинах появления жизни на Земле думали многие поколения ученых. В конце прошлого века Сванте Аррениус предложил гипотезу панспермии: жизнь занесена на Землю из космоса. Эта гипотеза долгое время была очень популярна, и Вернадский относился к ней крайне серьезно. И действительно, механизм панспермии может содействовать распространению жизни во Вселенной. Но вряд ли гипотеза Аррениуса решает проблему - она сводит один вопрос к другому, не менее трудному: а откуда взялась жизнь в космосе?

Попытка найти ответ на этот вопрос, как мне представляется, должна основываться на одной из двух альтернативных гипотезах.

Первая - это признать, что ЖИЗНЬ возникла независимо от Универсума, что она извечна и изначальна, как и Универсум. Так именно и считал великий шведский естествоиспытатель. Для Аррениуса не существовало самого вопроса! Кстати, на этой точке зрения почти всю жизнь стоял Вернадский. Только в самом конце своего жизненного пути он стал сомневаться в ее правильности.

Вторая гипотеза - это точка зрения универсального эволюционизма. Она считает, что ЖИЗНЬ - это результат эволюции Универсума. И возникла она как естественный этап его усложнения.

Существует еще одна точка зрения - креационизм, предполагающая справедливость теории сотворения. Подобные системы взглядов я отказываюсь обсуждать - в принципе. Хотя и признаю их правомочность!

Ни одна из этих гипотез не имеет достаточно надежного экспериментального фундамента, и выбор одной из них носит во многом субъективный характер, как и гипотеза о начальном взрыве, породившем нашу Вселенную. Я принимаю вторую гипотезу, поскольку принял гипотезу о начальном взрыве, с которой несовместима первая. Эта гипотеза мне представляется более убедительной, чем другие, так как еще в 1947 году Гамов обнаружил реликтовое излучение, факт которого несовместим с предположением о вечности Универсума. Вот почему возникновение биосферы Земли я считаю первой фундаментальной бифуркацией в истории нашей планеты. Однажды произошла перестройка развития небесного тела, именуемого Землей, с непредсказуемым результатом - возникла та форма организации материи, которую мы теперь называем ЖИЗНЬЮ и содержание которой до сих пор остается нами плохо понятым.

В каком-то из ученых трактатов я прочел примерно следующее определение того, что автор называет жизнью. Он считает, что жизнь - это форма существования материи, обладающая способностью к метаболизму и редупликации. Еще в некоторых сочинениях я встречал замечание о том, что важнейшей особенностью живого организма является его стремление обеспечить собственный гомеостазис.

Так или иначе, но с феноменом, который мы называем ЖИЗНЬЮ, имеет место исключительность сочетания по меньшей мере трех особенностей данной формы существования материи: метаболизма, т.е. способности обмениваться со средой материей и энергией, способности редупликации, т.е. воспроизведения того или иного организма или системы организмов, и стремления к сохранению своей целостности, т.е. способности формировать петли отрицательной обратной связи, не вытекающей непосредственно из принципа Ле Шателье, т.е. из законов сохранения.

Обычно предполагается, что только живое вещество способно в совокупности обладать тремя перечисленными свойствами. Другими словами, предполагалось, что эти свойства являются не только необходимыми (что не вызывает сомнения), но и достаточными для идентификации живого вещества в качестве живого и позволяют определить его отличие от неживой материи.

Последние десятилетия внесли в эти представления весьма существенные коррективы.

В 60-е и 70-е годы появилась серия работ М. Эйгена, которые в совокупности были удостоены Нобелевской премии, и многие из них недавно переведены на русский язык. В этих работах было показано, что такой явно неживой объект, как биологические макромолекулы, обладают всеми указанными свойствами.

Некоторые пояснения мы можем дать с помощью следующей простой математической модели. Обозначим через х(t) некоторое количество однотипных элементов в момент времени t. Представим себе, что воспроизведение себе подобных происходит в дискретные моменты времени

t, t + d, t + 2 d, t + 3 d,...

Тогда динамику этого процесса мы можем описать с помощью следующего балансового соотношения:

x (t + nd) = f (x { t + [ n -1] d }, t + { n - 1) d) - kx (t + { n -1] d. (1)

Выписанное соотношение является частным случаем так называемого демографического уравнения, поскольку первое слагаемое правой части описывает интенсивность появления нового количества х (т.е. рождаемость), причем функция f - неотрицательная функция своих аргументов, если они отличны от нуля, и

f (0, t+nd) = 0,

ибо нулевое количество элементов ничего произвести не может. Второе слагаемое в уравнении (1) описывает смертность - интенсивность убытия элементов, которая принимается обычно пропорциональной их количеству. Поэтому, если в некоторый момент времени величина х, вычисленная в силу уравнения (1), окажется отрицательной, то ее следует положить равной нулю. И на этом прекратить вычисления, поскольку совокупность элементов { x } перестает существовать!

Таким образом, после работ Эйгена стало очевидным, что метаболизм и редупликация вовсе не являются прерогативой только одного живого вещества и этих свойств недостаточно для того, чтобы идентифицировать живое вещество - выделить его из мира остального вещества. Многие, в том числе и я, полагали, что таким исключительным свойством живого остается его стремление сохранить свою целостность.

Однако в 1991 году я предложил модель системы элементов, необязательно живых, способных формировать петли отрицательной обратной связи, сохранявшей целостность системы. (См. мою статью: Биота как регулятор и проблема sustainability // ЖВМ и МФ, 1994. Т. 34, љ 4). В ее основе лежит постулат о том, что в любом реальном процессе неизбежно присутствуют те или иные случайные факторы. Из него, в частности, следует, что любое множество не может состоять из вполне тождественных элементов. Будем обозначать через X = { хs } множество элементов х, обладающих свойством s. Кроме того, условимся, что с некоторой вероятностью элемент, обладающий свойством s, может порождать и другие элементы. Это позволяет нам переписать (в рамках гипотезы о средних) уравнение (1) в следующей форме.

xs (t + nd) = f (x1 [ t +{ n -1} d, x 2[ t +{ n -1} d,..., t +[ n -1} d) - kxs (t +{ n -1} d). (2)

К этому уравнению необходимо добавить еще условие неотрицательности величины xs, о котором мы говорили выше.

Уравнение (2) - простейшая интерпретация процесса неточной редупликации. Несмотря на свою простоту, оно описывает ряд замечательных свойств, присущих множеству

X = { xs }.

Прежде всего, оно показывает, что за счет стохастики (неточности воспроизведения) множество элементов Х может превратиться в систему взаимосвязанных элементов, состояние каждого из которых влияет на судьбу остальных. Но это еще, вероятно, не главное. Уравнение (2) показывает, что у множества Х возникают чисто системные свойства, которые не следуют из свойств отдельных элементов. А именно: в системе возникает тенденция сохранения целостности системы. В самом деле, предположим, что в некоторый момент t + nd один из элементов, например xs (t + nd), в силу уравнения (2) оказался равным нулю, т.е. его смертность превзошла рождаемость. Но в следующий момент времени t +(n +1) уравнение (2), выписанное для этого элемента, будет иметь вид:

xs (t +{ n +1} d) = f (x 1{ t + nd }, x 2{ t + nd },..., t + nd) > 0. (3)

Другими словами, за счет неточности редупликации элемент xs, выбывший из системы на предыдущем шаге, снова в ней восстановится. Значит, в системе Х возникла обратная связь, сохраняющая целостность системы - стремление обеспечить существование элементов, сохраняющих свойство s. И возникновение такой обратной связи - специфическое свойство системы, появляющееся в результате действия алгоритмов сборки! И оно невыводимо из свойств элементов xs.

Изложенный пример в некоем смысле замыкает картину: ни метаболизм, ни редупликация, ни даже возникновение обратных связей, обеспечивающих стабильность системы, не являются прерогативой только живого вещества. Они всего лишь свойства, необходимые для его функционирования. Но они недостаточны для его идентификации, для определения ЖИЗНИ как феномена, рожденного Универсумом в процессе его эволюции.

Из сказанного можно сделать вывод о том, что в настоящее время определение понятия "живое вещество" (включая знаменитое высказывание Энгельса о том, что жизнь есть форма существования белковых тел), удовлетворяющее требованиям рационализма, отсутствует.

Тем не менее мы чувствуем и знаем то качественное отличие вещества живого от косного, утверждение которого на поверхности планеты качественно изменило характер ее развития. На ее поверхности возникла сверхтонкая пленка живого вещества, которая, взаимодействуя с энергией космоса, повернула все процессы эволюции в новый канал развития. И это дает мне основание считать возникновение биосферы первой фундаментальной бифуркацией в истории эволюции Земли как небесного тела

Дата добавления: 2015-08-05