Питер Медавар - Наука о живом
Специфичность. Когда биологи начинают говорить о своей работе, тут же обязательно всплывает понятие специфичности. В биологическом смысле это слово означает единственно возможную и совершенно точную связь между агентом и тем, на что он действует, или между агентом и тем действием, которое он производит. Классическим примером такой специфической связи является связь, существующая между антигеном и антителом (см. гл. 13), или, в более общем виде, между вызывающим иммунную реакцию агентом и вызываемой им реакцией. Другие примеры специфичности в биологии — это единственно возможная связь между стимулом и реакцией на него в простых рефлекторных действиях, а также между ферментом и веществом, на которое он воздействует (так называемым субстратом). Специфичность взаимодействий антиген — антитело и фермент — субстрат опирается на молекулярную основу, т. е. зависит от конфигурации молекул взаимодействующих агентов, а специфичность рефлекторных действий определяется особенностями строения организма, точно так же, как специфическая связь между объявленной конечной станцией и тем местом, куда поезд действительно придет, определяется направлением, в котором уложены рельсы.
Но частота, с которой упоминается специфичность, — это, естественно, не единственное, чем отличается разговор биологов от разговора физиков или химиков; другим отличием является частота употребления понятий, связанных с изменениями во времени. «Снежинка и сегодня остается точно такой, как в тот день, когда выпал первый снег», — сказал Д'Арси Томпсон. И эта неизменность, характерная для мира физики, резко отличает его от биосферы, где все изменяется, где жизненные циклы, состоящие из зачатия, развития, старения и смерти, налагаются на всеохватывающие эволюционные изменения, длящиеся тысячелетиями. Идея изменения во времени пронизывает всю биологию. Некоторые биологи склонны верить, что в этом-то и заключается принципиальное и абсолютное {19} различие между биологическими и физическими науками; однако им не дается по вере их. Вполне исчерпывающее различие между этими науками, достаточно ясное для того, чтобы удовлетворить все университеты мира, хотя многие из них кишат педантами, заключается в том, что биология изучает живые организмы и их части, а физика и химия изучает неодушевленные системы*.
Информация, порядок и шум. В этой книге снова и скова встречается слово «информация» — выражение, которое не получило бы столь широкого употребления в биологии, если бы оно не служило чрезвычайно полезной цели. Информация означает порядок и упорядоченность или что-то, что воплощает их, — т. е. сообщение или набор инструкций, точно определяющие порядок. Такое словоупотребление ничем принципиально не отличается от утверждения, что архитектурный чертеж воплощает информацию, необходимую для постройки дома именно такого, а не какого-либо иного типа. Генетическая информация — это заложенная в структуре молекул нуклеиновых кислот упорядоченность, которая определяет или воплощает инструкции для соединения молекул строго определенным образом.
Информация и порядок связаны между собой самым прямым образом, и это напоминает нам о том, что понятие информации заимствовано биологией из теории связи. Совершенно ясно, что информация в сообщении, например в телеграмме или письме, зависит от порядка слов и от порядка букв в словах, и, чем более многочисленны возможные их комбинации, тем больше информационная емкость письма или телеграммы. Шумы прямо противоположны информации — это, так сказать, случайность или беспорядочность. Сигнал, который не несет информации в том контексте, в котором ее ожидают, отбрасывается как шум. Это описание и в техническом, и в повседневном смысле слова вполне приложимо, например, к потрескиваниям и странному бормотанию эфира, которыми {20} иногда сопровождаются радиопрограммы, в равной степени оно приложимо и к «снегу», вдруг прерывающему телепередачи. Если шумовые сигналы настолько приглушены, случайны и неоднородны, что мысль, будто они несут информацию, можно сразу отбросить, мы называем их белым шумом: таков, например, звук (словно мириады мышей грызут кукурузные хлопья), нередко сопровождающий междугородные телефонные разговоры. Всякий шум представляет собой вторжение в информационную систему элемента, нарушающего порядок.
Истину, заключенную во втором законе термодинамики, можно, в частности, выразить таким образом: общая тенденция протекания всех естественных процессов в мире направлена на увеличение случайного и беспорядочного; равномерное распределение тепла по Вселенной представляет собой последний этап распространения неупорядоченности.
Нередко приходится сталкиваться с довольно наивным предположением, что, поскольку процесс развития и эволюции подразумевает увеличение видимого порядка, значит, живые организмы ухитряются в каком-то смысле обойти или обмануть второй закон термодинамики (этот вопрос более подробно рассматривается в других работах*). Хотя на самом деле живые организмы ему все же подчиняются, в определенном смысле можно сказать, что они смеются над его духом, если и не над буквой, — ведь эволюция и развитие обычно сопровождаются увеличением упорядоченности и сложности. Однако не следует заходить в этом утверждении слишком далеко, поскольку увеличение видимой сложности в процессе развития частично является своего рода картированием одной формы порядка в другой — переходом генетической информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах хромосом, в иную форму порядка, воплощенную в специфических белках, ферментах, а также в структурах организма (см. гл. 10). В любом случае второй закон термодинамики приложим только к замкнутым системам — к таким, в которых не существует никакого обмена веществом или энергией с {21} внешней средой. А все живые организмы в термодинамическом отношении являются открытыми системами, и происходящее в них увеличение упорядоченности оплачивается общим увеличением беспорядка в их окружении (см. великолепную книгу Э. Шредингера «Что такое жизнь? С точки зрения физика»).
Кибернетика и обратная связь. Среди наиболее плодотворных концепций, появившихся в биологии за последние годы, следует назвать кибернетические (термин «кибернетика», которым американский ученый Норберт Винер назвал теорию контроля или теорию управления, употребляется как в техническом, так и в биологическом контексте).
Теория контроля проявляется в биологии повсюду, имеем ли мы дело с температурой тела, с содержанием соли в крови, кровяным давлением, частотой пульса, с точной регулировкой концентрации гормонов в организме и т. д.
Обратная связь (термин, постоянно употребляемый в биологии) определяет один из важнейших механизмов контроля. Обратная связь — это контроль — над действием через последствия совершенного действия. Примером отрицательной обратной связи в ее наиболее обычной форме может служить выключение источника тепла, когда температура достигает определенного уровня, а в биологической системе — купирование каким-то гормоном выработки гипофизом тропного гормона (см. гл. 17), который стимулирует синтез первого гормона. В обычном гуле вечеринки люди повышают голос, чтобы собеседники их услышали, а это увеличивает общий шум в комнате, и им приходится кричать все громче и громче, чтобы их «хоть кто-то услышал. И так продолжается до тех пор, пока присутствующие наконец не скажут себе «Терпеть не могу вечеринок», — и не уйдут. Это пример положительной обратной связи, процесса принципиально неустойчивого и в экстремальных случаях ведущего к саморазрушению. В биологии саморазрушающий характер положительной обратной связи иллюстрируют некоторые формы аутоиммунных заболеваний (см. гл. 13). Если в результате повреждения какого-либо органа начинается саморазрушительный иммунный процесс, то этот процесс сам по себе причиняет {22} организму дополнительный вред, делая иммунную реакцию еще более интенсивной. В логике и в научной методологии отрицательная обратная связь является основой процесса, путем которого гипотеза изменяется в зависимости от ее логической «отдачи», т. е. в зависимости от того, насколько вытекающие из нее законы или предсказания соответствуют реальности; такая параллель четко иллюстрирует тот элемент «управления» в научных исследованиях, который можно представить себе как один из способов ориентировки в окружающем мире. Приведенные примеры достаточно наглядно показывают, что понятия кибернетики приложимы практически повсюду.
Циклы. Биологические науки заметно отличаются от физических не только тем значением, которое имеют для них иерархическая организация, зависимость от времени и всеобщая подчиненность идее специфичности. Всю биологию на всех ее уровнях пронизывает еще одно понятие — понятие о циклах. Биологический процесс в целом — это циклы, включающие циклы, которые в свою очередь включают циклы… Самыми важными, естественно, являются циклы, определяемые влиянием космоса, — сезонные и суточные: вся деятельность живых организмов определяется ими и приспосабливает к ним свои ритмы. Многие биологические циклы представляют собой процессы регенерации, и главнейший из них — это цикл, включающий рождение, созревание, воспроизведение, старение и смерть. У микроорганизмов, таких, как бактерии, и у многих клеток цикл воспроизведения непрерывен, но у более крупных организмов он чаще носит сезонный характер.
