Николай Курчанов - Антропология и концепции биологии
Ключевыми для синергетики являются понятия флуктуации, бифуркации, хаоса.
Флуктуации – это колебания, отклонения от среднего значения величины.
Бифуркация – это критическая пороговая точка раздвоения, в которой система находится в двух состояниях одновременно. В точке бифуркации происходит качественное изменение поведения объектов системы – маленькое, случайное изменение может привести к сильному «возмущению» системы и большим изменениям.
Хаос в синергетике понимается не как «беспорядок», а как структура, только особого рода. Его можно определить как непредсказуемое поведение в системе, контролируемой детерминистскими законами (Николаева Е. И., 2003). В такой системе возникают нерегулярные процессы, в которых значение измеряемой величины не может быть предсказано с достаточной точностью. В природе порядок неотделим от хаоса.
Наиболее значительным событием в этом направлении стала теория диссипативных систем лауреата Нобелевской премии 1977 года И. Пригожина.
Диссипативная система – это открытая система, поддерживающая себя в неравновесном состоянии, но тем не менее остающаяся устойчивой. Специфической чертой таких систем является способность к самоорганизации. При возрастании потока энергии через систему она может пройти точку неустойчивости (бифуркации), после чего возможно возникновение новых структур (Пригожин И., Стенгерс И., 1986).
Динамика таких систем описывается с помощью фазового пространства, в котором геометрически изображены все возможные координаты состояния системы. Траектории, описывающие изменения системы, обычно концентрируются в ограниченной области, называемой аттрактором, или «областью притяжения». Обычный аттрактор характеризует стабильное состояние системы. Однако если число переменных системы больше двух (что характерно для большинства биологических систем), то появляются так называемые странные аттракторы, имеющие чрезвычайно сложную структуру (Пригожин И., Стенгерс И., 1986). В отличие от устойчивых обычных аттракторов, странные аттракторы динамически неустойчивы.
Самопроизвольное установление порядка в точках неустойчивости открывает новые горизонты для разгадки феномена жизни.
После 1980-х годов появилось много моделей самоорганизующихся систем. Принципы кибернетики и синергетики все более активно внедряются в современное естествознание, меняя его облик.
12.2. Фундаментальные вопросы естествознания с позиции системного подхода
Разработка системного подхода явилась по существу научной революцией, изменившей наше представление о мире. Рассмотрим применение системного подхода к двум «вечным» вопросам естествознания.
Происхождение жизни
Как уже отмечалось, теория биохимической эволюции является единственной теорией в рамках научной методологии по вопросу происхождения жизни. Впервые она была предложена А. И. Опариным (1894–1980) в 1924 году. В дальнейшем автор неоднократно вносил в нее поправки и дополнения.
В соответствии с теорией А. И. Опарина биохимическая эволюция проходила в несколько стадий. Первые ее этапы представляли собой химическую эволюцию: образование углеводородов, затем полимеров и, наконец, обособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами – протобионтов. Именно протобионты совершают эпохальный шаг, преобразуясь в первые живые организмы. С этого момента начинается биологическая эволюция.
Теорию биохимической эволюции разрабатывали в дальнейшем многие ученые: Дж. Холдейн и Дж. Бернал (Англия), С. Миллер, С. Поннаперума, С. Фокс (США) и другие.
Разными авторами предлагались различные «кандидаты» на роль «первичной» биомолекулы. Вначале выбор шел между молекулами белка или ДНК. В настоящее время большинство биохимиков-эволюционистов видят в этой роли молекулу РНК. Недавно открытая каталитическая активность РНК позволяет предположить, что на определенной стадии биохимической эволюции РНК совмещала функции переноса информации и катализа (Gesteland R. [et al.], 1999). Согласно такому сценарию, вначале молекулы РНК выполняли каталитическую функцию для самокопирования, а затем стали синтезировать белки. В ходе биохимической эволюции РНК передала каталитическую функцию белкам, а роль хранителя генетической информации – ДНК. За РНК осталась функция посредника в процессе реализации генетической информации, которую она выполняет по сей день.
Этапы химической эволюции получили неплохое экспериментальное подтверждение. Однако судьбоносный шаг к явлению жизни оставляет еще много сложных вопросов. Решающую роль в возникновении жизни, вероятно, сыграла способность нуклеотидов к специфическому спариванию. Благодаря этой способности, синтезированный полимер нуклеотидов мог служить матрицей для новой комплементарной цепи.
Таким образом, 3,5–4 млрд лет назад на Земле, возможно, возникли самореплицирующиеся системы нуклеиновых кислот, и в настоящее время механизм матричного синтеза занимает центральное место в процессах передачи информации в биологических системах.
Для обеспечения структурных и функциональных потребностей будущего организма идеально подходят другие молекулы – белки, отличающиеся удивительным разнообразием. Взаимосвязь белков и нуклеиновых кислот стала вторым важным шагом на пути биохимической эволюции. Единство генетического кода всех ныне живущих организмов показывает, что такой «симбиоз» произошел на самых ранних стадиях.
И, наконец, третьим критическим моментом биохимической эволюции было возникновение мембран, определяющих пространственную изоляцию «предклеток». Некоторые авторы считают стадию образования мембран началом пути, ведущего к живой клетке (Morowitz Н., 1992). Идеальным кандидатом на роль первичной мембраны служат липидные пузырьки, возникающие самопроизвольно, в соответствии с законами физики и химии.
Конечно, такая схема является только предположительной. Даже разработанная в теории «минимальная клетка» (в природе к ней ближе всего стоят клетки микоплазмы) представляет собой исключительно сложную систему. Не согласуются между собой результаты молекулярно-генетических и палеонтологических исследований. Согласно расчетам, жизнь на Земле должна была возникнуть около 2 миллиардов лет назад, однако обнаруженные углеродистые включения заставляют предположить, что она уже существовала около 3,8 млрд лет назад. Проблема возникновения жизни остается одной из самых волнующих загадок мироздания. Для ее разрешения в настоящее время весьма перспективным представляется системный подход.
Немецкий биохимик М. Эйген, лауреат Нобелевской премии 1967 года, стал автором теории молекулярной самоорганизации добиологических процессов. Она позволяет применить представления кибернетики к эволюции живых организмов.
М. Эйген заметил, что ферментативные реакции могут формировать сложные сети и замкнутые циклы. Эти циклы, в которых одна химическая реакция обусловливает протекание другой, он назвал гиперциклами. Сети и циклы весьма устойчивы, способны к самовоспроизведению и даже к коррекции ошибок, т. е. они способны нести информацию. Информация в теории М. Эйгена оценивается по способности макромолекул к самовоспроизведению. Он показал, что самовоспроизведение возможно до образования генетических структур, что возникновение жизни на Земле стало возможным благодаря процессу нарастающей организации неравновесной химической системы с образованием многочисленных петель обратной связи.
Модель М. Эйгена хорошо согласуется с представлениями И. Пригожина для открытых систем. Она является одной из наиболее привлекательных гипотез возникновения жизни.
Психофизиологическая проблема
Психофизиологическая проблема, как проблема соотношения физиологического и психологического служит поводом для ожесточенных научных споров с давних времен. Эта проблема конкретизируется в следующих вопросах (Никандров В. В., 2005):
• Можно ли описать психические явления в физиологических терминах?
• Можно ли психические процессы напрямую увязать с нейрогуморальными?
• Можно ли утверждать, что мозг порождает наши чувства и мысли?
Сложность в объяснении свойств отражения объективного мира и специфики психического являлась причиной постоянного возникновения дуалистических и идеалистических концепций.
Не разбирая многочисленные теории и подходы к решению психофизиологической проблемы, отметим, что она и сегодня является ключевой проблемой для естествознания, психологии, философии. Как и в предыдущем вопросе, с позиции научной методологии относительно перспективным для ее решения представляется системный подход.
