Что такое жизнь? Как отвечает на этот вопрос современная наука. Немного о логике и остальном

“Судите сами: допустим, догонит Ахиллес черепаху. И что он с ней тогда сделает? Боюсь, ничего хорошего. Моральный облик Пелеева сына достаточно подробно дан в «Илиаде»: надругательство над трупом Гектора, припадки безудержного гнева, пренебрежение интересами Эллады ради личной выгоды, более чем подозрительные отношения с Патроклом…  И вот наш разум, цепенея при одной только мысли о дальнейшей судьбе медлительной рептилии, судорожно отодвигает беззащитную зверушку всё дальше и дальше от преследующего её убийцы и извращенца.

 Здравый смысл беспощаден. Логика гуманна”

Евгений Лукин «В защиту логики»

             Позади очередной несостоявшийся апокалипсис, предсказанный то ли жрецами племени майя, то ли нашими современниками, столь экстравагантно трактовавшими их труды.  Интерес к апокалиптической теме несколько уменьшился и настало время обратиться к вопросу о жизни, попытаться ответить на вопрос, сформулированный в заглавии данной статьи.   

         В одной из своих последних статей академик В.Л. Гинзбург [1] определил три великих проблемы, стоящих перед современной физикой.  И в перечне этих великих проблем, был и вопрос, являющийся предметом обсуждения в этой статье. Ответ на него возможно искать только на стыке двух фундаментальных наук – физики и биологии, или иными словами, в биофизике.  Многие известные ученые пытались тем или иным способом дать определение жизни. 

В 1944 году в Кембридже вышла в свет книга Эрвина Шрёдингера “What is the Life? The Physycal Aspects of a Living Cell” (последнее издание в русском переводе: “Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки» [2]), в которой он выдвинул идею атомно-молекулярного подхода к изучению феномена жизни.

         За прошедшие со времени появления этой замечательной книги 68 лет, воззрения на эту проблему достаточно сильно изменились, хотя метафора Шредингера – «Жизнь – это существование апериодических кристаллов» оказала довольно сильное воздействие на прогресс в этой области. В 1953 году появилась первая работа, посвященная двойной спирали ДНК, возникла новая наука -  молекулярная генетика.

         Начало ХХI века открыло новые, еще более фантастические направления исследований. Развитие нанотехнологий привело к созданию принципиально нового: нанобиопокрытия, нанобиоконтейнеры,  нанобиодвигатели. Создаются биокомпьютеры на основе биочипной технологии. Медицина начала преобразовываться в биомедицину, в основе которой лежит восстановление функций каждого человека с учетом специфики индивидуального генетического портрета. Всё это позволяет посмотреть на проблему определения жизни с несколько иной точки зрения, тем точка зрения, которую изложил Эрвин Шредингер 68 лет назад. Попытаемся увидеть, как отвечает на вопрос «Что такое жизнь?» современная биофизика.

         Вопрос этот достаточно сложен и включает в себя не только вопросы возникновения жизни, но и процессы, сопровождающие её эволюцию.

ХХI век начался с прорывных результатов в этом направлении. В 2004 году все средства массовой информации с ликованием сообщили о полной расшифровке генома человека, содержащего 3 миллиона нуклеотидных пар, природных соединений, из которых, как из звеньев, построены цепочки основ клетки – нуклеиновых кислот. За 12 лет, параллельно с расшифровкой генома человека, были расшифрованы геномы многих микроорганизмов и многоклеточных животных. Оказалось, что генетический код всех организмов един. Отличия содержались только в количестве генов, причем, и на этом уровне различия оказались не столь велики, как ожидалось.  В ДНК человека оказалось всего 30 000 генов, а ожидалось, что их должно быть порядка 100 000!  Более того. Количество генов мыши в точности совпало с количеством генов человека. Отличия содержатся в структуре всего 300 генов!  

До сих пор непонятна роль  обширных областей в ДНК, соединяющих собой гены. Непонятно, какую роль они играют в развитии организма. Удивительно, но в геноме человека задействовано только 0,0001 его нуклеотидного запаса.

С помощью построения филогенетических деревьев на молекулярном уровне (филогенетическое или эволюционное дерево -  дерево, отражающее эволюционные взаимосвязи между различными видами или другими сущностями, имеющими общего предка) представляется возможным исследовать эволюционную историю живого.

Словом, не смотря на все успехи, современная наука только начинает прикасаться к этой интереснейшей проблеме, оставляя пока почву для сторонников креационизма (creation – сотворение).

Пытаясь дать определение живой материи, обычно начинают перечислять признаки, характерные для живого. Однако детальное рассмотрение этих признаков с неизбежностью приводит нас к выводу, что все эти признаки встречаются и в неживой природе. Перечисление наиболее часто используемых признаков можно найти в замечательной статье известного биофизика, доктора физико-математических наук, члена-корреспондента РАН, Генриха Романовича Иваницкого [3] До сих пор не удалось выявить ни одного признака, который был бы присущ только живой материи. Более того, сейчас стало понятно, что поиск такого признака является занятием малоперспективным.

В пользу последнего утверждения свидетельствует факт существования в природе таких образований, как вирус или бактериофаг (рис.1), которых нельзя назвать живыми в полном смысле этого слова.

Рис.1 Бактериофаг

Скорее всего, это сложные композитные материалы, биологические машины, способные решать задачи поиска, узнавания и размножения, уничтожая при этом клетки или бактерии, но при этом они не имеют внутренних биохимических процессов, не питаются и не размножаются самостоятельно. Вирусы и бактериофаги частично обладают свойствами, присущими, безусловно, живым организмам, но эти свойства настолько упрощены, что эти объекты можно с достаточной уверенностью отнести к неживым объектам. По всей видимости, эти образования находятся на границе, отделяющей живое от неживого. Для того, что бы это понять понадобилось почти 15 лет исследований, проведенных российскими биофизиками.

Из изложенного выше, можно сделать вывод о том, что любые попытки дать определение феномена жизни бессмысленны. Но, к счастью это не так. Попробуем преодолеть эти трудности, но для этого нам придется разрешить ряд парадоксов и, следуя логике современных воззрений, сформулировать понятие игры живой и неживой материи.

Начнем с самого первого парадокса, возникающего уже при попытке дать определение жизни. Положим, такое определение мы исхитрились дать. В нашем внутреннем представлении это определение обогатило саму жизнь. Но вот в чем проблема. Мы никаким образом не сможем доказать, что данное нами определение является непротиворечивым, если мы будем оставаться в рамках сформулированной нами модели и будем оставаться в её рамках. Иными словами, истинность теории не может быть доказана в рамках этой же теории. Это утверждение, являющееся содержанием второй теоремы Гёделя, может быть доказано абсолютно строго. Пытаясь таким образом определить жизнь, мы будем всё время двигаться по кольцу, создавая тавтологию – «жизнь есть живое». Мы пришли к хорошо известному логическому парадоксу Платона и Сократа. 

Этот парадокс может быть разрешен, но для этого мы должны выйти за рамки привычной для нас двоичной логики «живое» - «неживое». Мы должны будем включить в рассмотрение еще один элемент – «неопределено». Такой элемент в нашей системе действительно существует – это упомянутые выше бактериофаги и вирусы, которые нельзя отнести с достаточной уверенностью ни к живым организмам, ни к неживой материи. Следовательно, для того, что бы двигаться дальше мы должны в своих рассуждениях выйти за пределы привычной для нас двоичной логики и перейти на язык трехэлементной логики.

Заметим, что ситуация в этом случае очень сильно напоминает ситуацию, возникающую при описании квантового мира. И в этом случае двоичная логика остаётся бессильной.

Теперь о том, какими методами решается обсуждаемая проблема. Естественно, что основой метода является утверждение, что любые постулаты и скрытые параметры, следствия которых нельзя проверить экспериментально либо измерить полагаются ненаучными. Это положение является основой того, что мы называем научным познанием. Если это положение игнорируется – возникают парадоксы. Простейший пример такого парадокса – известная апория Зенона об Ахилле и черепахе. Как только мы вспоминаем, что в мире существует допустимый предел измерений, Ахилл догоняет животное. Дальнейшее рассмотрение этого парадокса в рамках присутствия неопределенности приводит к его противоречивости. Как следствие, это утверждение приводит нас к выводу о том, что мир, в котором мы живем, не является полностью детерминированным, как бы нам этого не хотелось, и содержит в себе неопределенности, которые порождаются имеющимся пределом измерений в том числе.

Об иных путях возникновения неопределенностей в классическом мире можно, например, посмотреть в статье, опубликованной на нашем портале. 

Посмотрим на то, как можно убедиться в справедливости изложенных выше утверждений. Дело в том, что на самом деле очень маленькие пространственные интервалы ни в физике, а уж тем более в биологии измерить невозможно. Положим, что в качестве линейки мы используем электромагнитную волну очень малой длины. Но если вспомнить основы физики – несложно убедиться в том, что для создания такой волны нужно затратить очень большие энергии, причем, чем меньше длина волны, тем больше энергии, которые необходимо затратить на её создание. Рано или поздно возникнет ситуация, когда энергия волны, которую мы собирались использовать в качестве линейки, не только убьет все живое, но и начнет активно влиять на измеряемую систему, тем самым, сводя на нет саму задачу измерения.  Следовательно, существует предел точности измерений, и этот предел создает неопределенность в значении измеряемого параметра. Заметим, что с этим фактом читатели хорошо знакомы. Ведь нет ни одного чертежа, например, в котором размеры детали, которую следует изготовить, указаны точно. Все размеры указаны с определенным допуском.

Более того, что произойдет, если мы в какой-то промежуточный момент времени заставим Ахиллеса и черепаху по команде бежать в обратную сторону. Привычная для нас бинарная логика будет шептать нам на ухо, что и Ахилл и черепаха в одно и тоже время прибегут к исходному положению. Но так ли это? На самом деле, неопределенность в определении расстояния между ними никуда не исчезла. При «повторном» забеге она может только увеличиться. В этом случае мы столкнулись с бичом всех экспериментаторов – накоплением ошибок при измерениях, эффектом, который имеет место быть даже в численном моделировании процессов, правда в этом случае он имеет несколько иную природу. Именно этот эффект и приведет нас к образованию неопределенности в рассматриваемой нами системе.

Теперь поговорим немного о тепловом движении. Факт движения микрочастиц в протоплазме клеток был открыт более 200 лет тому назад.  Широко известен и факт теплового движения неживых микрочастиц, получивший название в честь ботаника Р.Броуна – броуновское движение. Исследование этих явлений показало, что живые и неживые частицы в этих случаях подчиняются одним и тем же законам движения. Этот факт не может не натолкнуть на мысль использовать науку о теплоте – термодинамику для определения отличия живых систем от неживых. В частности, этот подход к определению живого был великолепно освещен в книге Эрвина Шредингера [2]. Шредингер попытался найти отличие живого от неживого, переходя от общего к частному. В 6 главе, стр. 77, своей книги он писал:

- Как в терминах статистической теории выразить ту удивительную способность живого организма, с помощью которой он задерживает переход к термодинамическому равновесию (смерти)? Выше мы сказали, что он питается «отрицательной энтропией», как бы привлекая на себя ее поток, чтобы компенсировать этим увеличение энтропии, производимое им в процессе  жизни, и таким образом поддерживать себя на постоянном и достаточно низком уровне энтропии.

Для своего времени Э.Шредингер был прав. Он просто изложил общепринятую 68 лет тому назад точку зрения. Сегодня эта точка зрения выглядит уже несколько иначе. Дело в том, что энтропия является слишком грубым, усредненным параметром, характеризующим термодинамически равновесное, усредненное состояние системы. И поэтому она просто не может быть использована для характеристики живых систем, в которых протекающие процессы имеют не термодинамическую, а кинетическую природу.  Понимание природы этих процессов должно было привести к пониманию природы необратимости, возникающей при развитии живых систем. Оказалось, что термодинамический подход к описанию живых систем, включающий в себя процесс непрерывного обмена энергией с окружением живой системы, не позволил увидеть причины возникновения такой необратимости.

Первым выдающимся результатом в переходе от описания неживой системы к описанию живой стало разрешение энергетической проблемы. Оказалось, что для появления необратимости в развитии макросистем нет необходимости непрерывном обмене энергией с внешней для нее системы. Необратимость возникает из-за кинетической природы процессов, происходящих в живой системе за счет их собственного аккумулированного запаса энергии и неравновесности самих этих систем. Подтверждением этого вывода является, например, существование ряда белков, способных поглощать кванты света одной частоты и испускать излучение другой частоты, используя разность энергий излучения на нужды живой материи. Хлорофиллы и родопсины являются настоящими аккумуляторами энергии в живой природе, обеспечивающими рост и развитие живой материи.

Следующим шагом в переходе от неживой материи к живой стал эффект структуризации живой материи, что с необходимостью привело к увеличению продолжительности её существования.  Строго доказано, что преобразование однородной системы в систему, содержащую множественные кластеры (гетерогенность), приводит к увеличению продолжительности жизни системы.  Хорошим примером такого кластера является, например, обычный мыльный пузырь, представляющий собой газовый кластер, окруженный оболочкой. И время жизни такого кластера является сугубо кинетической характеристикой.

Исследования, проводимые в последнее время, убедительно показали, что во всех этих задачах важен не столько термодинамический подход, являющийся, по сути, усредненным, не позволяющим отследить все детали процесса, сколько кинетика относительно движения частиц с учетом влияния окружающей их среды. Да и сам термодинамический подход имеет смысл только для состояния систем, близких к термодинамическому равновесию.  В своей статье [3] Г.Р. Иваницкий отмечает :

- Все разговоры об “энтропийных тенденциях” биологической эволюции и живой материи основаны на недоразумении. Согласно термодинамическим критериям любая биологическая система упорядочена не больше, чем кусок горной породы того же веса. Их различие заключается в кинетике и способности запоминать удачные обстоятельства структурирования.

Вопросы, связанные с возможностью живой системы запоминать удачные обстоятельства структурирования будут обсуждаться в последующих статьях этого цикла.

В последнее время предпринимаются попытки описать живую материю на основе теории информации. В этом подходе к обсуждаемому вопросу есть один, но очень серьезный подводный камень. Проблема этого подхода заключается в том, что для живой материи важным оказывается не количество информации, а ее качество. Информация вообще для живой системы неважна, важна ее ценность. Вот тут и всплывает основная проблема. Дело в том, что для оценки качества информации, ее ценности нужно ответить на главный вопрос – в чем цель живого? Если ответ на этот вопрос известен, то и сформулировать критерий ценности информации не составит особого труда.  Для этого в теории информации существует множество методик. Вся проблема упирается в одно – как определить цели живых организмов и вообще, существуют ли эти цели? Каковы цели у травы, водорослей, деревьев, кроме как их существования. Иными словами, их целью является последовательность: рождение – питание – рост – размножение – смерть? Ведь если допустить, что у живого таковая цель имеется это будет означать, что эту цель кто-то поставил, сформулировал, создавая этот вид живой материи. Или она возникла случайно из ничего. Первое утверждение с необходимостью приводит нас к Создателю, а вторая будет свидетельствовать о том, что неупорядоченность или хаос является источником всякого порядка и несет в себе организующее начало. Во втором случае необходимо понять, каким образом из случайности может возникнуть упорядоченность.

К ответу на этот вопрос мы обратимся в последующих статьях этого цикла.

Литература

1. В.Л. Гинзбург, Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными.- Успехи физических наук, Т.169, №4, 1999,  с. 419 – 441.
2.  Э.Шредингер, Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки. – R&C Dynamics, Москва-Ижевск, 2002.
3. Г.Р.Иваницкий, XX1 век: что такое жизнь с точки зрения физики, - Успехи физических наук, т. 180, №4, 2010, с. 337 - 369

Алексей Гопман

специально для портала “ОКО ПЛАНЕТЫ”

* При цитировании и копировании ссылка на ОКО ПЛАНЕТЫ обязательна