Что такое жизнь? Как отвечает на этот вопрос современная наука. Немного о хаосе и порядке. Ответы на вопросы

Фото с сайта www.proza.ru

В предыдущей статье данного цикла был сделан вывод о том, что живой материи свойственна детерминированность, или предопределенный порядок. Так что же преобладает в живых системах предопределенность или случайность? Этот вопрос издавна интересовал науку, и обсуждения этого момента ведутся довольно длительное время. Удивительно, но утверждение о том, что для живой материи характерна исключительно детерминированность, с неизбежностью приводит нас к очередному парадоксу.

         Этот парадокс, названный в честь французского логика и натурфилософа начала XIV века Жана Буридана, был известен еще в древней Греции. Он  был приведен в работах Аристотеля, комментарии к которым были написаны Жаном Буриданом. Суть этого парадокса состояла в следующем. Положим, что предоставлены два одинаковых угощения, размещенные на одинаковом расстоянии от осла. Тогда пытаясь сделать логический выбор между абсолютно одинаковыми копнами сена, осел рискует умереть от голода, поскольку, двоичная логика абсолютного детерминизма не позволит ему предпочесть одну копну сена другой.

         Сегодня этот парадокс ничего, кроме улыбки вызвать не может, поскольку в его основе лежит заведомо неверное утверждение о том, что живые системы являются некоторыми жестко запрограммированными “автоматами”, способными делать выбор только между двумя возможными исходами.  Основой подобного предположения служит утверждение о том, что никакая живая система не может содержать в себе хаотической компоненты, случайную флуктуацию, которая и может предопределить выбор бедного животного и оставит его сытым и довольным.

         Мы можем говорить о том, что разрешение парадокса буриданова осла лежит в плоскости конкуренции между предопределенностью, упорядочением в живых системах и случайной, хаотической компонентой в процессах, происходящих как в нервной системе организмов, так и в их эволюционном отборе.  Такое представление о процессах, сопровождающих живую материю, позволяют  сформулировать довольно интересную математическую модель, с подробностями которой желающие могут ознакомиться в статье Г.Р.Иваницкого [1],  стр. 361 – 364, которая позволяет удовлетворительно описать, в том числе и процесс формирования имеющегося разнообразия  существовавших и существующих ныне живых организмов. Сама возможность выявления особенностей этих процессов говорит нам о том, что в живой природе нет ни абсолютной хаотичности, ни строгого упорядочения. Все процессы формирования и развития живой материи связаны с постоянной конкуренцией этих двух составляющих развития.

                  Стоит обратить внимание на следующее. Известно, что изменения окружающей живую материю среды подвержены высокой периодичности с различными временными параметрами, связанных с солнечными или земными циклами. Примерами  могут служить смены дня и ночи, фазы Луны, смена сезонов года, являющиеся циклами с относительно малой периодичностью. Известны циклические изменения окружающей среды с много большими периодами, чем упомянутые выше. Наличие этих периодических процессов неизбежно отражается во  внутренних процессах, происходящих в живых организмах. Можно привести множество примеров периодичности в поведении живых организмов, обмене веществ и размножении, связанных с перечисленными выше периодическими изменениями в окружающей среде. По сути, это то, что мы называем биологическими часами. До сих пор не прекращаются дискуссии по поводу организации механизмов приспособления живых организмов на основе биологических часов. Можно предположить и здесь, что в этом принимают участие не только упорядоченные процессы, но и процессы, в основе которых лежит хаотичность, случайность.  Или, как сегодня принято называть подобные процессы, всем управляет хаотическая детерминированность, поскольку природа не расточительна по своей сути, она все свои удачные находки использует для различных целей.

Для живой материи всегда существуют две опасности. Это опасность полной детерминированности или предопреденности и опасность полного хаоса. Дело в том, что полностью детерминированная система не может противостоять изменениям окружающей среды. С другой стороны, полная хаотизация  неизменно приведет в организме к конфликту между частью и целым. Пример такого конфликта знают многие из читателей – это аритмия и фибрилляция сердца, превращающие работу сердца в хаотический процесс, очень быстро приводящие к его остановке и гибели организма в целом.  И есть факты, говорящие об иных процессах.  Кардиологам хорошо известно, что если в кардиограмме исчезает хаотическая компонента и сердце начинает сокращаться детерминировано, это означает, что без их вмешательства сердце остановится. Наступит смерть всего организма. Обычная кардиограмма нормально функционирующего сердца являет собой пример сосуществования как хаотического, так и упорядоченного процессов совместно – детерминированного хаоса.

         Корни живой материи уходят на атомно-молекулярный уровень. Поэтому наш разговор будет неполным, если не упомянуть о поисках отличий живой материи от неживой на уровне физики микромира – квантовой физики. Этот вопрос довольно подробно обсуждался в статье [2], недавно опубликованной на нашем портале, однако имеет смысл повторить некоторые положения этой статьи.

         Известно, что основной проблемой квантовой теории является проблема измерения, суть которой состоит в следующем. Пока экспериментатор не произвел никаких измерений квантовой системы, согласно квантовой механике она находится в суперпозиции собственных состояний, которые могут быть реализованы с той или иной вероятностью. Это описание является полностью детерминированным, поскольку, зная начальное состояние системы, мы можем однозначно описать ее эволюцию в вероятностном ключе. То есть, фактически мы не можем указать, в каком конкретно состоянии находится исследуемая система, но как будут изменяться вероятности нахождения системы в том или ином состоянии можем указать точно.

         Но когда экспериментатор проводит измерение, он обнаруживает нашу систему в каком-то определенном состоянии, ставшем в процессе измерения не вероятностным, а реально существующим. Причем, обнаруженное состояние не всегда будет соответствовать состоянию с наибольшей вероятностью, как это утверждает квантовая теория. Экспериментатор может в процессе измерения обнаружить состояние, которое в исходном описании имело сколь угодно малую вероятность. Иными словами, в процессе измерения произошел процесс коллапса волновой функции, нарушающий всю детерминированность квантовомеханического описания, поскольку даже если мы знаем, в каком конкретно состоянии находилась наша система в исходный момент времени, мы не в состоянии предсказать точно результат измерения.  Эта ситуация привела к  формулировке Шредингером мысленного эксперимента, который мы знаем, как парадокс кота Шредингера.

         Суть этого парадокса заключается в следующем. Положим, что в закрытый ящик помещен кот. В ящике, помимо кота, находится механизм, содержащий ядовитый газ, который реагирует на прилет квантовой частицы. Когда частица фиксируется механизмом, газ выпускается и кот умирает. Если частица не прилетает – кот жив и здоров, если не принимать во внимание реакцию кота на запертый ящик. Согласно квантовой механике, если ящик закрыт, все состояния кота равновероятны и находятся в суперпозиции. Следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив и мертв одновременно. Если ящик открывается, экспериментатор может обнаружить только одно конкретное состояние. Либо детектор частицы сработал и кот мертв, либо детектор не сработал и кот жив.  В этой ситуации возникает вопрос: - когда и почему система перестает существовать, как смешение нескольких состояний и выбирается одно, конкретное состояние и эволюция системы становится необратимой?

         Этим парадоксом Шредингер хотел показать, что без некоторых правил, отвечающих на поставленный выше вопрос, квантовомеханическое описание системы является неполным. Понятным было и то, что эти правила не могут быть сформулированы в рамках самой квантовой теории и требуются иные соображения, лежащие скорее в плоскости философского обобщения физических теорий – метафизике. Попытки сформулировать эти правила не прекращаются и по сегодняшний день и приводят к появлению так называемых интерпретаций квантовой механики. На сегодняшний день известно чуть менее двух десятков таких интерпретаций, но нас из всего этого многообразия будет интересовать только одна интерпретация – расширенная интерпретация Эверетта, в рамках которой предпринята попытка выделить новый признак, отличающий живую материю от неживой.

         Формирование этой квантовомеханической интерпретации началось в середине прошлого века с работ Хью Эверетта, которые, впрочем, на момент своего появления оставались незамеченными широкой научной общественностью. В последствии эта концепция была развита в работах Уиллера и ДеВитта. Сутью этой концепции было утверждение, что материальный мир един по своей природе и является квантовым, а множественные состояния квантовой системы соответствуют различным вероятностям, или различным равноправным классическим мирам.  Так возникла картина многих классических миров Эверетта – Уиллера – ДеВитта.        Но как быть с тем, что на самом деле, в своем сознании наблюдатель фиксирует не множественные миры, а только один из них. Как происходит выбор между этим набором миров? Согласно концепции Эверетта, на самом деле такого выбора не происходит. Вместо него происходит как бы “расслоение” квантового мира и сознание экспериментатора способно воспринимать все возникающие альтернативы, или, иными словами, сознание само расслаивается на свои компоненты, каждая из которых находится в своем классическом мире, но при этом индивидуальное сознание субъективно осуществляет селекцию возникающих альтернатив, выбирая из всего набора только одну.

         Такая картинка кажется довольно фантастической и достаточно сложной для восприятия, особенно, если понимать ее буквально, говоря о множественности реально существующих миров. Однако при этом следует помнить, что на самом деле реально существует только один мир и он квантовый по своей природе, способный находиться во множестве вероятностных состояний, каждое из которых соответствует своему классическому миру. Миру, который и воспринимает наше сознание.

         Дальнейшее развитие этой концепции квантовой механики связано с работами российского физика М.Б.Менского, который сформулировал свою гипотезу отождествления, поставившую знак равенства между сознанием и выбором различных классических альтернатив Эверетта – Уиллера – ДеВитта. Эта гипотеза является сутью усовершенствованной концепции Эверетта, позволяющая понимать жизнь, как выбор и осознание классических альтернатив.  Однако следует понимать, что, говоря о сознании в этом контексте, мы должны понимать, что речь идет о самом глубинном его уровне, лежащем на самой его границе.

         Находясь в рамках этой концепции, мы можем утверждать, что живое вещество от неживого обладает уникальной способностью особым образом воспринимать квантовый мир, проецируя его в своем сознании на классический мир, в котором выполняется принцип причинности,  в котором срабатывают приобретенные навыки. Мир, который, по крайней мере, локально предсказуем.  Этот момент позволяет сформулировать основы стратегии выживания живых организмов.  Но есть один момент, который нужно помнить, когда речь идет об этой красивой концепции. Дело в том, что эта концепция, не смотря на всю свою привлекательность, на современном уровне познания не может быть проверена экспериментально, хотя автор этой квантовой концепции М.Б. Менский указывает на то, что в не столь отдаленном будущем такая проверка может быть осуществлена.

         На этом завершим нашу краткую экскурсию в мир парадоксов, которая и потребовала написания этого цикла статей, сопровождающих попытки понять, как отделить живую материю от неживой и подведем некоторые итоги нашей экскурсии. Отметим главное в этих статьях.

Случайные процессы изменения окружающей среды позволили живой материи построить стратегию выделения удач на основе памяти на разных иерархических уровнях живого от макромолекул до всего живого в целом и в процессе эволюции живого научиться выживанию. Можно говорить, что сам механизм отбора удач основан на поэтапном изменении реакции живой материи во времени и в пространстве на основе запоминания предыдущего результата.  И возможности живой материи в этом направлении оказались достаточно велики: это и увеличение шага перемещения или длины генетического кода с помощью набора биохимических реакций, и изменение внутренних связей, и обучаемость новых поколений в процессе размножения, и многое другое. Процесс отбора позволил живой материи наращивать новые иерархические уровни, задействуя при этом как процессы упорядочения, так и процессы, носящие хаотический характер, формируя при этом картину живой материи, управляемую детерминированным хаосом.

Живую материю постоянно испытывали на прочность колебательные процессы в неживой природе. Неживое окружение жизни постоянно создаёт засухи и похолодания, извержения вулканов, цунами, тайфуны и прочие неприятности. В результате этого в живой природе существуют только два вида живых организмов – живые и вымершие, не сумевшие приспособиться к изменениям окружающей среды. Этапы эволюции живой материи это летопись не только выигранных игр, но и проигранных.

Можно обратиться к рассмотрению живой материи на макроуровне. Тогда у нас возникает понятие единой системы всего живого, понятие биосферы. Эта точка зрения, обычно соотносится с именем В.Н. Вернадского, сформулировавшего в начале XX века свою теорию о ноосфере, живой оболочке нашей Земли. Хотя здесь нужно сказать, что эта мысль не являлась чем-то принципиально новым даже для Вернадского. Основные идеи этой точки зрения восходят к XVII, XIX векам и связаны с именами Ж.Б. Ламарка, Э. Зюсса. Однако В.Н. Вернадский пошел много дальше своих предшественников. Он отвел всем живым организмам, включая в систему и разум, существовавшим и существующим на нашей планете, роль преобразующей силы планеты. Потому он и отказался от термина биосфера, введя в рассмотрение такую категорию, как ноосфера.

Таким образом, если вирусы и бактериофаги, о которых шла речь в первой статье этого цикла, включены в биосферу, они являются, безусловно, живыми. Но если биосфера исчезает – они превращаются в простой полимерный наноматериал неживой природы.

Выделим основные признаки живых организмов, позволяющие объединить их в единую систему нашей планеты:

1. Все живое имеет единую углеродно-водную основу;
2. Все живое на Земле обладает единым генетическим кодом;
3. В основе продолжения жизни лежат единые системы воспроизведения макромолекул;
4. Все живое на Земле объединено единым процессом метаболизма, в котором продукты жизнедеятельности одних являются основой жизнедеятельности для других.

Здесь стоит упомянуть, что это далеко не полный перечень общих признаков, поскольку далеко как не все проблемы определения живого рассматривались в этом цикле статей.

         Исчерпывающего ответа на вопрос, каким образом были сформированы эти объединяющие признаки, на данный момент не существует, но, опираясь на рассмотренные в этом цикле статей парадоксы, можно предположить несколько возможных сценариев.

         Во-первых, мы можем предположить, что возникновение всего живого на нашей планете является локальной флуктуацией, произошедшей на нашей планете. В этом случае, надеяться на то, что где-то еще могла произойти подобная случайная флуктуация не приходится. И, следовательно, обнаружить жизнь где-то еще в нашей Галактике или за ее пределами – событие чрезвычайно маловероятное. Однако, существуют на настоящее время соображения, которые сам этот сценарий делают весьма маловероятным.

         Во-вторых, мы можем предположить, что возникновение жизни связано с процессами упорядочения материи, происходящими во Вселенной после Большого Взрыва. Но и это утверждение не может быть ни доказано ни опровергнуто без дальнейшего развития астрофизики

         Есть и еще один сценарий, согласно которому

“Жизнь – это результат начальных условий в далеком прошлом, локальных флуктуаций в недалеком прошлом и возникновение набора запоминающих конструкций у молекулярных машин в настоящем” [1]

Именно этот сценарий может удовлетворительно описывать переходы  у части материи хаотических процессов в детерминировано-хаотические.  Возникновение памяти, работающей только в одну сторону, приводит к тому, что система всегда находится в тесном контакте со своим прошлым. Направленность процесса означает, что любая структура, формирующая такую направленность, порождает и цепь последующих событий.  Этот процесс развивается с нижних уровней организации материи до самых верхних и, скорее всего является основной движущей силой эволюции материи, приводящей к возникновению живого и нас с вами в том числе.

Заметим, что масса всего живого на нашей планете пока невелика. Она составляет всего одну миллионную часть массы Земли. Но влияние живого на планету определяется не этой цифрой, она определяется действиями каждого живого организма. За 4,5 млрд. лет существования жизни на Земле все, когда-либо существовавшие организмы, должны были пропустить через свои органы, ткани и клетки всю оболочку планеты: весь мировой океан, большую часть минеральных веществ, всю атмосферу планеты, при этом создавая не только себя и себе подобных, но и преобразуя атмосферу, сушу и океаны в отходы своей жизнедеятельности. 

Вот теперь мы можем дать краткий ответ на вопрос, сформулированный в заглавии этого цикла статей -  Что такое жизнь? Как отвечает на этот вопрос современная наука. Вернее, не дать точный ответ на этот вопрос, а только попытаться на него ответить. При этом мы должны учесть, что предполагаемый ответ будет зависеть от нашей точки зрения. Если мы попытаемся дать развернутый ответ на этот вопрос, основанный на перечислении признаков, которые, впрочем, характерны не только для живого, это определение может выглядеть так:

Жизнь – это единая система (биосфера), для которой характерна память, способность к направленной подвижности, самовоспроизведению, обмену веществ, регулируемому потоку энергии и к размножению. [1]

Если спросить физика о том, что такое жизнь? Скорее всего, можно будет услышать такой ответ:

Жизнь – это есть результат игры при взаимодействии части системы со своим окружением. В игре у этой части системы появилось свойство запоминать вероятности появления удач и неудач в предыдущих раундах, что дало ей шанс на существование в последующих раундах.[1]    

         Прочитав эти ответы, нужно понимать, что современная наука пока не имеет четкого и исчерпывающего ответа на обсуждаемый нами вопрос. Она только приближается к ответу на него.

Литература.

1. 1. Г.Р.Иваницкий, XX1 век: что такое жизнь с точки зрения физики, - Успехи физических наук, т. 180, №4, 2010, с. 337 – 369
2. Gopman, Проблемы квантовой теории или небольшая экскурсия в квантовую метафизику, - портал “ОКО ПЛАНЕТЫ”

Алексей Гопман

Специально для портала «ОКО ПЛАНЕТЫ»

*При цитировании и копировании ссылка на «ОКО ПЛАНЕТЫ» обязательна.