Алексей Шилейко - Информация или интуиция?
Молекула белка и представляет собой такое образование из намагниченных, или, можно иначе сказать, помеченных шаров. Из одного этого сопоставления становится совершенно ясно, что информация, управляющая строительством и поведением живого организма, — это та же самая хорошо знакомая нам информация, с которой мы впервые познакомились, перенумеровав бильярдные шары.Девяносто девять процентов частей живых организмов состоят всего из четырех естественных элементов: углерода, водорода, кислорода и азота. Одно из особых свойств углерода, кислорода и азота заключается в том, что радиусы связей и, следовательно, внутриатомные расстояния в молекулах почти равны для всех трех элементов так же, как и углы между связями. В результате цепи, образованные этими атомами, имеют почти одинаковую геометрию независимо от того, состоят ли они целиком из углерода или последний любым .образом перемешан с атомами кислорода и азота. Две такие цепи могут геометрически соответствовать друг другу при любой последовательности составляющих их атомов и при любом вновь возникающем изменении в их составе.Продолжая аналогию с бильярдом, можно сказать, что белковые заготовки — аминокислоты — напоминают бильярдные шары, намагниченные простейшим образом, так что каждый шар представляет собой двухполюсный магнит. Такие заготовки (как и шары) могут соединяться между собой любым произвольным образом. Дожидаться того, чтобы аминокислоты сами собой- объединились, скажем, в молекулу ДНК, это, в известном смысле, то же самое, что и дожидаться, чтобы произвольно движущиеся по поверхности бильярдные шары сами собой собрались в пирамидку. А они тем не менее собираются! Как же это происходит?
ЕДИНСТВЕННОЕ ЧУДО
Один из наиболее универсальных законов современной квантовой физики гласит: всякое возможное событие, то есть событие, не запрещенное законами сохранения, рано или поздно, но обязательно наступает. Это справедливо и для аминокислот. Соединяясь в самые произвольные сочетания и затем снова разъединяясь, они в конце концов должны соединиться в молекулу ДНК. И вот тут проявляется некое замечательное свойство, которое при желании можно даже считать чудом.Мало того, что молекула ДНК сама по себе оказывается весьма устойчивой, она еще поставляет информацию (отдает соответствующие распоряжения) в окружающую среду и благодаря этому воспроизводит сама себя и другие белковые молекулы. Что же касается информации, то это та самая, уже хорошо знакомая нам информация, действующая в термодинамических, атомных и любых других физических системах. Просто, когда этой информации накапливается достаточно много, совершается диалектический переход и материя приобретает новое качество — качество живого.Ну а как же быть со вторым началом термодинамики и его многочисленными следствиями? Читатель, наверное, давно уже подметил, что авторы не склонны считать второе начало термодинамики столь же всеобъемлющим законом природы, как, например, закон сохранения энергии. Второе начало термодинамики, безусловно, действует в массовых вырожденных системах, то есть системах, состоящих из очень большого количества неотличимых друг от друга элементов и таких, что каждое отличимое состояние в них может быть реализовано очень большим количеством способов. Однако по мере снятия вырождения справедливость второго начала, вообще говоря, становится сомнительной.Лучшим примером может служить хотя бы та же молекула воды. Как совсем недавно отмечалось, атомы водорода в ней расположены под строго определенным углом. Если считать, что этот угол не может быть известен с точностью большей, чем одна минута, то в молекуле воды каждый раз реализуется один способ из 10800 возможных. Молекула воды — достаточно информированная система. Во-первых, ее энтропия значительно ниже максимально возможной, то есть энтропии такой системы, в которой атомы водорода могут располагаться совершенно произвольным образом. И во-вторых, при этом нет никаких оснований считать, что по истечении сколь угодно большого промежутка времени молекулы воды как-либо изменятся, станут более беспорядочными. Все то же самое справедливо в еще большей степени для сложных молекул органических веществ.— Но организмы все-таки стареют и умирают! — скажете вы.Это верно. Но у нас, во всяком случае, нет достаточных оснований считать, что это из-за второго начала термодинамики. Живые организмы действительно подвержены процессу старения, причем большинство ученых сходятся сегодня на том, что процесс старения имеет своей причиной частичное разрушение генетических кодов за счет неизбежных мутаций. Но то, что приносит смерть и разрушение одному индивидууму, служит целям еще большего повышения устойчивости биологического вида в целом. Можно пойти и дальше. Отдельные биологические виды приходят на смену друг другу, непрерывно совершенствуясь, и это служит целям повышения устойчивости (как говорил Дж. Уолд, консервативности) биосферы в целом.По словам того же Дж. Уолда, появление размера и формы, переход от неопределенности ко все увеличивающемуся определенному порядку в материальной организации — это одна из сущностей исторического развития вселенной. Морфология — это непрерывно утолщающаяся нить, проходящая через всю иерархию рангов организации материи. И дело не в том, что вселенная имеет тенденцию к порядку. Как раз наоборот, она проявляет сильнейшую тенденцию к беспорядку, выраженную вторым законом термодинамики. Однако в мощном потоке, устремленном в направлении возрастающей неупорядоченности, создаются условия сохранения некоторой малой доли порядка и даже известного увеличения этой доли. Здесь нет нарушения второго закона. Это маленькая область порядка образует едва различимый водоворот в общем ламинарном потоке к беспорядку, и за него (за этот водоворот) заплачено много раз и с избытком увеличением беспорядка в других областях вселенной.У нас есть все основания не согласиться с автором только что приведенного высказывания. Начнем с того, что второе начало термодинамики вообще справедливо лишь для замкнутых систем, ничем не обменивающихся с внешней средой. В то же время одним из самых характерных признаков живого организма являются процессы метаболизма, то есть процессы обмена с окружающей средой. Без метаболизма нет жизни. Поэтому физические системы, относящиеся к категориям живого, вообще не могут быть примерами ни в пользу, ни против справедливости второго начала.В процессе своей жизнедеятельности живые организмы потребляют энергию. Это и есть та цена, которой, по словам Дж. Уолда, заплачено за эволюцию. Более того, организмы потребляют энергию высокого качества и преобразуют ее в энергию самого низкого качества — тепло. Значит ли это, что жизнедеятельность организма сопровождается общим понижением качества энергии, то есть опять-таки повышением энтропии?Это может быть справедливо для отдельных участков вселенной, которые не изолированы, а значит, не обязаны подчиняться второму началу. Более того, у нас есть все основания полагать, что живые организмы в их высшей форме — организмы мыслящие — способны соответствующим образом организовывать потоки энергии в своей среде обитания, то есть повышать качество энергии (увеличивать информацию) и тем самым понижать энтропию системы.Последний возможный аргумент в этом рассуждении сводится к тому, что возрастает энтропия во всей вселенной и наличие биосфер в отдельных, локальных ее участках ускоряет этот процесс. Все, что можно ответить здесь, — это то, что лишь на самом примитивном уровне рассуждений можно присваивать вселенной в целом свойства, характерные для отдельных, локальных ее участков. Достаточно сказать, что если справедлива упомянутая нами раньше теория А. Фридмана и если за переживаемым нами сейчас периодом разбегания галактик последует период их сближения, то любые рассуждения о тепловой смерти вселенной теряют всякий смысл.Возвращаясь, однако, к нашей теме, мы можем сказать, что живое есть продукт совместного действия энергии и информации, причем в процессе творения живой материи одно не может заменить другое. Энергия не может заменить информацию, и наоборот. Следовательно, рассмотрение биологических систем еще раз подтверждает наш основной тезис о том, что информация есть независимая и универсальная физическая величина.
ЕСТЬ ЛИ ПОЛЕ?
Имеет смысл задержать внимание читателя еще на одном обстоятельстве. Мы говорили, что согласно теории А. Гурвича, кроме трех носителей информации в клетке — хромосом, цитоплазмы и оболочки, — существует еще четвертый носитель — поле, которое А. Гурвич поспешил окрестить биологическим. Тому положению, которое сейчас занимает биология среди прочих наук, она во многом обязана широко развившемуся в последние годы использованию математических методов, а также методов смежных наук — физики и физической химии. К сожалению, мы констатируем, однако, что специалисты-биологи еще не достигли столь полного слияния биологического мышления с математическим и физическим, какое можно наблюдать, например, у представителей различных инженерных специальностей.Одно из следствий этого состоит, в частности, в том, что самые простые физические явления, если только они происходят в биологических системах, сразу получают приставку «био». Мы только и слышим, что о биотоках, биопотенциалах, биополях и т. п. Дело, конечно, не в названии, но, с другой стороны, стоит назвать обычный электрический ток биотоком, как сразу же возникает мысль, что биоток (зачем-то ведь он получил приставку «био») по сравнению с обычным электрическим током обладает еще какими-то дополнительными, сугубо биологическими свойствами. А отсюда один шаг и до всякого рода шарлатанств вроде «видения» пальцами.Магистральный путь развития биологии как раз и направлен в сторону объяснения практически всех биологических явлений с позиций нормальных физики и химии. В частности, биотоки и биопотенциалы возникают в организме в результате обычных химических явлений в электролитах, разделенных клеточными оболочками — мембранами, таких же точно, как те, что происходят в некоторых видах электрических батарей и аккумуляторов. Приставка «био» здесь не вносит ничего нового.Попробуем с этих позиций рассмотреть вопрос о клеточных биополях. Во-первых, еще несколько фактов. По наблюдениям польского ученого Тарковского, если из двух клеток зародыша мыши оставить одну, то такой зародыш развивается нормально. До середины беременности он вдвое меньше обычного, затем внезапно наступает период резкого роста, и к моменту рождения он неотличим от любого другого новорожденного мышонка.Можно пойти дальше, то есть разрушить у четырехклеточного зародыша три из четырех клеток или взять восьмиклеточный зародыш и разрушить у него семь клеток и проследить далее судьбу одной клетки, оставшейся живой. Биологи Мур, Эдамс и Роусон получили нормальных плодовитых кроликов из одиночных клеток, оставшихся от двух, четырех или восьмиклеточных эмбрионов, пересаженных затем в матку крольчихи — приемной матери.Эти данные, казалось бы, свидетельствуют о том, что, во всяком случае, на стадии восьмиклеточного зародыша все клетки полностью равноправны независимо от занимаемого ими места. Но существуют и другие факты. У млекопитающих наиболее раннее проявление дифференцировки клеток явственно обнаруживается еще на стадии, когда зародыш представляет собой шар (бластоцисту). Уже на этой ранней стадии развития есть два типа клеток: более мелкие округлые клетки, расположенные внутри бластоцисты, из которых в дальнейшем образуется тело зародыша, и крупные уплощенные клетки, окружающие бластоцисту по поверхности, из которых развиваются плацента и оболочки зародыша.Тарковский и его сотрудники провели интересный опыт. Если только одной из клеток двухклеточного мышиного зародыша дать возможность развиваться, то она обычно образует типичную бластоцисту с нормальной дифференцировкой на внутренние и наружные клетки. Но если выделить одну клетку из четырехклеточного зародыша, то иногда внутренние клетки вообще не развиваются и вместо бластоцисты образуются полые шары, состоящие только из наружных клеток, которые не могут продолжать дальнейшее развитие. То же самое наблюдается (только еще чаще, в 80 процентах случаев), если культивировать одну клетку, изолированную из восьмиклеточного зародыша мыши. Эти факты свидетельствуют об обратном. Получается, что уже на четырехклеточной стадии клетки определенным образом дифференцированы. Правда, весьма существенное значение имеет здесь слово «иногда».Наиболее правдоподобным представляется следующее объяснение. Мы знаем, что хромосомы клеточного ядра содержат полную программу создания будущего организма во всех его деталях. Только что рассмотренные факты заставляют нас пойти дальше и предположить, что на хромосомах записаны отдельные подпрограммы, каждая из которых описывает развитие данной зародышевой клетки в одну из окончательных форм, то есть в нервную клетку, клетку кожи, клетку печени и т. д.Повторяем, каждая клетка зародыша, равно как и каждая уже специализированная клетка организма, содержит полный комплект таких подпрограмм.Та или иная подпрограмма включается в зависимости от внешних условий, а еще конкретнее — в зависимости от сигналов, поступающих в ядро от цитоплазмы и оболочки. Естественнее всего предположить, хотя стопроцентной уверенности в этом нет, что эти сигналы, как и прочие сигналы, включающие те или иные подпрограммы, имеют природу ферментов, то есть химическую. К слову сказать, включение различных подпрограмм в зависимости от внешних условий — это типичный прием, используемый программистами ЭВМ.Два процесса протекают одновременно. В зависимости от положения, занятого клеткой в бластоцисте, включается та или иная подпрограмма, а наличие той или иной работающей подпрограммы определяет места, занимаемые в дальнейшем потомством этой клетки.Значит ли это, что мы полностью отвергаем участит биополя в процессе дифференцировки клеток?Нет, не значит. Жизнедеятельность клетки состоит из множества чрезвычайно сложных физико-химических процессов. Нет ничего необычного в том, что при протекании некоторых из этих процессов, связанных с раз личной перегруппировкой атомов в молекулах, отдельные атомы возбуждаются и, приходя затем в основное состояние, излучают фотоны. Более того, поскольку молекулы белков и тем более РНК и ДНК имеют сложную и строго определенную геометрию, нет ничего необычного в том, что эти фотоны могут иметь определенные преимущественные направления движения. Наконец, нет ничего необычного в том, что фотоны воспринимаются другими клетками и инициируют там процесс образования того или иного фермента или же непосредственно воздействуют на хромосомы. Мы ведь знаем, что влияние света на направление процессов, происходящих в клетках, — факт, весьма распространенный в биологии (образование хлорофилла у растений).Однако сумма накопленных в биологии фактов свидетельствует скорее всего о том, что если и существует такая фотонная связь между клетками, то она не является единственным фактором, а действует наряду с другими, например, такими, как непосредственный контакт оболочек двух клеток. И уж конечно, нет никаких оснований называть фотоны биологическими, а образуемое ими поле — биополем только по той причине, что эти фотоны испускаются атомами, входящими в состав молекул живой клетки.Вообще все процессы, происходящие в живом организме, суть обычные физико-химические процессы, и они могут быть описаны и объяснены с позиций основных законов физики и химии. Только такая позиция позволяет биологии развиться в современную точную пауку. Что же касается некоторых, казалось бы, необъяснимых фактов (главным из них является сам факт существования живых организмов!), то как раз информационная теория систем позволяет снять с них последние покроим тайны. Наоборот, продолжая настаивать на существовании каких-то сугубо биологических явлений и закономерностей, мы лишь удлиняем путь, ведущий к но знанию биологических систем.
