ФИЗИКА ЖИВОГО КАК НАУКА О ЖИВОМ
Л.И.СИДОРЕНКО
Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко
PHYSICS OF THE ALIVE AS A SCIENCE ABOUT THE ALIVE
L.I.SIDORENKO
Abstract: The article proves theoretical and methodological potentialities of physics of the alive to show the essence of the alive, exploring the fundamental physical principles and taking into account specific integrity and self-organization of the alive. The difference in principle between physics of the alive as belonging to postnonclassical science and nonclassical physics has shown. Nonclassical physics based on the methodology of reductionism. It opened the ability to investigate physical distinctions of biological objects, but had made impossible to explore physical lows of the alive as self-organized integrity. There are used basic theoretical and methodological positions, which are represented in the works of professor S.P.Sit'ko and professor I.S.Dobronravova.
Теоретическое развитие биологии, если оценить его ретроспективно, в раскрытии сущности жизни прошло ряд этапов. Для классической биологии поиск ответа на вопрос о сущности живого осуществлялся в рамках парадигмы эволюционизма, основания которой утвердились с признанием биологами теории Ч.Дарвина. Неклассическая биология связывала надежды описания сущности живого со сведением биологического к принципам термодинамики и квантовой механики. Парадигма постнеклассической науки сделала возможной физику живого как науку о живом в отличие от биофизики, исследующей физические процессы в биологических объектах.
Основатель физики живого профессор С.П.Ситько пишет: "Под физикой живого я понимаю науку, базирующуюся на фундаментальном определении понятия "живое" в его отличии от понятия "неживое", т.е. мертвое"(1, с.6). В неклассической физике изучение биологических объектов физическими методами рассматривалось как применение знания фундаментальных закономерностей к определенной сфере природы. Специфика живого не играла при этом определяющей роли. "Никого (по крайней мере, на уровне решаемых научных задач) не интересует, что речь идет о живой системе; применяются подходы, используемые в физике жидкости и твердого тела, трудности связываются с неразрешимостью (в общем случае) задачи многих тел и т.д. Поэтому, в книгах, диссертациях, статьях, в которых рассматривается решение той или иной (часто интересной) физической или математической задачи, зачастую находим упоминание о биологическом приложении ее в ряду других технических приложений". В традиционной физике "неявно предполагалось, что живое примитивно, а его сложность лишь кажущаяся и связана исключительно с большим количеством частиц (молекул, клеток и пр.)" (1, с.6-7).
131
Появление физики живого – это не только появление нового взгляда физики на биологический мир. Методологические подходы физики живого позволяют квалифицировать эту науку как раскрывающую фундаментальные физические принципы живого и, вместе с тем, не базирующуюся на методологии редукционизма. Физика живого исходит из признания специфической целостности живого и намерения исследовать ее в "нерасчлененном" виде. Это отличает методологию физики живого от традиционного редукционистского сведения биологического к физическому. В последнем случае вне сферы познания остается живое как целостность.
В предшествующем познании сущности живого предлагалась методологическая модель, учитывающая целостность живого. Речь идет о квалифицировании живого с методологических позиций теории систем. По определению У.Эшби, теория систем представляет собой попытку объединения научных принципов, которые могли бы служить ориентиром в нашем стремлении овладеть динамическими системами. (2,с.172-173). При этом системный подход абстрагируется от материальной природы объектов и рассматривает их как системы взаимодействующих элементов, подсистем. Автор общей теории систем Л. фон Берталанфи, рассматривая живой организм как систему, отмечает, что живые тела с точки зрения термодинамики являются открытыми системами, в то время как неживые тела функционируют как закрытые системы, т.е. не обмениваются веществом и энергией с окружающей средой (2,с.79).
Однако системные законы применимы к системам различного типа. Поэтому поведение живых систем предстает в рамках общей теории систем как определенная спецификация общесистемных законов. Оценивая методологические возможности общей теории систем в 60-е годы, В.Лекторский и В.Садовский отмечали, что слишком широкое определение объектов и отсутствие четких определений таких основных понятий как целостность, взаимодействие, связи, уровни создает определенные проблемы при использовании методологического аппарата теории систем (3,с.67). Это в полной мере касается живых объектов.
Попыткой оценить возможности физического описания живого является концепция Э.Шредингера, который подчеркивал, что структура живого организма в корне отличается от любого другого вещества, с которым физик или химик имеет дело. Так, физик сталкивается с периодическими кристаллами, в то время как существенная часть живой клетки - хромосомная нить - является апериодическим кристаллом. Далее, согласно физике, закономерность поведения атомов может быть определена, когда число атомов очень велико. В организме же невероятно малые с точки зрения физики группы атомов играют главную роль в упорядоченных и закономерных процессах. Так, объем гена равен кубу со стороной 300 А, что равно 100 или 150 атомным расстояниям. Следовательно, ген содержит около миллиона или нескольких миллионов атомов, что в понимании статистической физики является весьма малым числом для выведения закономерного поведения. Шредингер считал, что примирить то обстоятельство, что генная структура включает сравнительно малое число атомов и то, что она все же проявляет закономерную активность, спо-
132
собна квантовая механика. Это может быть, если структурными единицами гена являются молекулы, что и подтверждается квантовой теорией (4,с.27).
Стремление определить специфику живого с точки зрения физики приводит Э.Шредингера к выводу, что характерной особенностью жизни является возможность поддерживать определенный уровень упорядоченности. Любой процесс, явление, происходящее в природе, приводит к увеличению энтропии. Но живое остается живым, так как постоянно извлекает из окружающей среды отрицательную энтропию. Она представляет собой то, чем организм питается. Организм как бы привлекает на себя поток отрицательной энтропии, компенсируя увеличение энтропии, производимое им в процессе жизни, т.е. поддерживает себя на постоянном и достаточно низком уровне энтропии. Таким образом, средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточном уровне упорядоченности, состоит, по мнению физика, в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей среды. Поэтому деятельность живого организма нельзя свести к применению законов физики. Шредингер так определил жизнь с точки зрения физики: "Жизнь - это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время "(4,с. 77-78).
Попытку определить живое с точки зрения квантовой механики предпринял и Р.Том. Он исходил из того, что в органическом мире, как и в неорганическом, существуют определенные формальные структуры, позволяющие в случае простого элемента, например, водорода, объяснить такую структуру с точки зрения квантовой механики. Эти структуры определяют единственно возможные формы, к которым может привести динамическая система, воспроизводящаяся в данной среде. При этом можно в абстрактном функциональном пространстве определить область существования и устойчивости каждой из этих форм. Том предполагал, что такие структуры следует искать на микроуровне живого. Но одновременно подчеркивал, что в связи с усложнением явлений при переходе на уровень микроскопических величин, описать эпигенез бактериофага может быть значительно сложнее, чем эпигенез млекопитающего, т.к. мы сталкиваемся с крайне специфическим химическим сродством и неправдоподобной утонченной сложностью (5,с.43).
Таким образом, неклассическая физика пыталась на основе познавательных средств квантовой механики вычленить структурный инвариант живого. В результате были сделаны парадоксальные – с точки зрения факта существования живого – теоретические выводы. Так, Р.Эренберг, стремясь определить сущность живого, сформулировал основной биологический принцип, который отражает представление о жизни как невероятном процессе и о смерти, как процессе более вероятном. Отсюда – основной закон живого -- "закон необходимости смерти" (6, с.2). Как остроумно заметил Дж.Бернал, доказать, что жизнь не должна существовать значительно легче, чем показать обратное, "но так как жизнь все же существует, мы должны понять и объяснить ее" (7,с.88).
Однако, если в классической биологии объектом выступало нечто живое - организм (одноклеточный или многоклеточный), то в неклассической биологии, использующей методы химии и физики, для выделения объекта исследования требовалось разрушение живой системы. Таким образом, возникало
133
многообразие объектов, которые являются биологическими, но не являются живыми. Э.Майр, отмечая эту же сложность физико-химического познания жизни, писал, что любая органическая система обладает столь большим числом обратных связей, гомеостатических механизмов и потенциальных множественных путей обмена, что задача исследования такой системы требует разрушения ее, так что анализ станет бесполезным (8,с.56).
Таким образом, проблема заключается не только в том, чтобы теоретическим образом обозначить структурный инвариант живого, но и в том, чтобы вывести из него все многообразие форм жизни. Вот почему редукционистская программа для теоретического воспроизведения сущности живого является принципиально ограниченной. Как подчеркивает профессор И.С.Добронравова, в предшествующем развитии науки физика, постигая живое, редуцировала его к типичным абстрактным объектам физических теорий, а его специфика оставалась за рамками рассмотрения (9, с.84).
Неклассическая физика не располагала методологическими средствами для раскрытия основных специфических особенностей живого - его целостности и развития. Так, М.Рьюз, возлагавший надежды на построение теории живого путем полного сведения биологии к химии и физике, главную сложность в осуществлении такого процесс видел в том, что пока "физика и химия остаются по преимуществу неисторичными, а биология по преимуществу историчной, постижение последней первыми кажется маловероятными" (10, с.295-297).
Действительно, жизнь тогда может представляться понятой в ее сущности, когда известные формы живого будут представлены в их становлении и развитии. Известный американский эволюционист Э.Майр подчеркивая уникальную специфичность живого, настаивал на том, что "нет такой области в биологии, где бы теория эволюции не служила организующим принципом" ( 11, с.9,15).
Г.Патти так же не разделял оптимизма физиков относительно намерения свести биологическое к физическому. По его мнению, физическая теория, раскрывающая существо живого, должна описывать физическую основу регулируемых ферментами процессов наследования, которые обладают достаточной для эволюции надежностью, что потребует значительно более глубокого понимания квантовой теории измерения на молекулярном уровне. Он подчеркивал, что самым общим свойством живого является способность к эволюции. Поэтому, следует теоретически разрешить противоречие, возникающее при допущении, что с одной стороны, живая и неживая природа подчиняются одним и тем же физическим законам, а, с другой, живая природа отличается способностью к эволюции. Теоретические возможности термодинамики и квантовой механики в описании живого не приводят, как отмечал Г.Патти, к представлению о неизбежности биологической эволюции (5, 72-76).
Несводимость биологии к физике, химии и математике подчеркивал Дж.Бернал. Исходя из сущности биологических объектов, эта наука не может быть такой простой как физика или химия, так как включает в себя оба эти предмета. Большинство попыток свести биологию к математике в силу их абстрактности ведут к ошибкам, которые не были бы совершены, если бы эти идеи были бы выражены словами (12, с.524). Качественная специфичность биологии, по мнению Дж.Бернала, состоит в том, что в отличие от физики и хи-
134
мии в ней по отношению к любому объекту - организму, органу, молекуле нужно указать не только, как он работает, но и объяснить, как он создался именно таким. Т.е. прежде всего интересуются функционированием и эволюцией, структура имеет определенное значение в связи с функционированием и происхождением (13, с.112).
Физика живого, в отличие от традиционной физики, осуществляет познание живого на иных основаниях - основаниях постнеклассической науки. Характеризуя постнеклассическое научное исследование, И.Пригожин отмечает, что в отличие от ситуации, когда ученый обращался к природе в качестве судьи, заранее знающего, как она должна отвечать и каким принципам подчиняется, ныне невозможно априорное описание ситуации, следует учиться у нее тому, как мы можем ее описать. Если говорить о физике, то новая - постнеклассическая - ситуация проявляется в том, что пример физики не может более побуждать другие науки к "физикализации" своего объекта. Но должен, напротив, раскрыть перед ними ту проблему, которую они разделяют вместе с физикой, - проблему становления"(14, с.12).
В.С.Степин, стоящий у истоков разработки концепции постнеклассической науки, рассматривает в связи с ней новый тип научной рациональности, который утверждается в исследовании и деятельности со сложными самоорганизующимися развивающимися системами. Их познание требует совершенно новых стратегий. Так, синергетические подходы доказывают, что существенную роль в развитии этих систем могут играть несиловые влияния, а теория бифуркации предполагает возможность нескольких сценариев поведения системы (15, с.6-7).
Именно синергетика позволяет обратиться к такому способу физического познания живого, который бы объяснил, почему живым системам удается бороться с возрастанием энтропии. "Устойчивое существование имеет место, пока поддерживаются нужные условия, однако эти условия могут разрушаться самим существованием нелинейной системы. Так, автокаталитические реакции, производящие собственный катализатор, ускоряющимися темпами исчерпывают запасы реагентов, приближая собственный конец, если запасы реагентов не пополняются. Такое пополнение может осуществляться искусственно в лабораторной установке или естественно за счет обмена веществ в организме. Но ни в том, ни в другом случае оно не может быть вечным. Таким образом, целостность связана с темпоральностью в смысле временности, преходящести существования и в том случае, когда система способна к динамической устойчивости. Целостность и темпоральность как черты самоорганизующихся систем тесно связаны со сложностью как увеличением упорядоченности. Поскольку самопроизвольное возникновение новых структур в неравновесных средах сопровождается локальным уменьшением энтропии за счет передачи произведенной в самоорганизующейся системе энтропии в среду" (9,83).
Синергетические модели применяются в науках о живом - от морфогенеза гидры до работы сердечной мышцы. Уровень целостности, обнаруживаемый живым организмом, столь высок, что оказывается сопоставим лишь с целостностью таких квантово-механических систем, как ядра, атомы и молекулы. Поэтому профессор С.П.Ситько рассматривает живое с позиций физики живого как "четвертый (после ядерного, атомного и молекулярного) уровень
135
квантовой организации природы, когда самосогласованный потенциал, обеспечивающий существование эффективных дальнодействующих сил, функционирует по типу лазерного потенциала в миллиметровом диапазоне электромагнитных волн"(1,с.12). Таким образом, физика живого видит принципиальное отличие живого от неживого в том, что у живого есть самосогласованный потенциал, которого нет у мертвого, хотя на молекулярном уровне радикальных различий может не существовать (1, с.12). Физика живого доказывает, что способность живого выступать в качестве квантово-механического объекта является определяющей для самого существования живого, что именно это и составляет физическое отличие живого от неживого (9, 86-87).
Физика живого как познание объекта на основаниях постнеклассического типа рациональности, полностью адекватна особенностям биологического познания живого, если говорить о необходимости учитывать роль субъекта, исследователя в формировании объекта исследования в биологии. Так, А.Огурцов подчеркивает роль "личностного видения" в биологическом познании. Именно "личностное видение" той предельной проблемы, какой в биологии является проблема "Что такое жизнь?" - во многом определяет установки исследователя, способы обоснования и оправдания их в научном сообществе и обществе в целом (16, с.28). В концептуальных и методологических измерениях физики живого становится еще более очевидным требование осмысление живого в системе всех знаний по проблеме жизни, полученных в ходе культурного и цивилизационного развития человечества. Подчеркивая это, профессор С.П.Ситько называет наивными спекуляции по поводу того, что расшифровав геном человека, мы будем все о нем знать. "Геном действительно определяет наследственность, но не на примитивно-механическом уровне, а путем формирования индивидуального самосогласованного потенциала, собственные характеристические частоты которого характеризуют организм" (1, с.12).
Концептуальные и мировоззренческие установки физики живого обусловливают гуманистические аспекты этой науки и позволяют решать важные социальные проблемы, в частности проблему сохранения и укрепления здоровья людей. Методология физики живого реализовалась в практическом смысле в создании нового направления в медицине - квантовой медицины. Речь идет о лечении различных сложных болезней методом МРТ (микроволновая резонансная терапия). Разработка МРТ стала возможной на основании квалифицирования живого организма - организма человека - как целостности. Причем целостности не только материального, телесности. Целостность организма человека в мировоззрении физики живого понимается как органическое единство телесности и духа. Поэтому существенными показателями здоровья или болезни (наряду с традиционными и новейшими медицинскими анализами) являются тонкие психо-интеллектуальные субъективные ощущения самого больного. Методы лечения, основанные на методах физики живого, исключают насильственную корректировку функционирования организма, лечение, связанное с болью. Эталонами здоровья в традиционной медицине являются результаты медицинский анализов, параметры которых находятся в пределах, определенных практически конвенциональным путем. Медицина ХХІ столетия основана на физике живого. Критерием здоровья здесь является целостное психофизиологическое ощущение здоровья, нормальная энергетика, отражающая правильное функционирование генетической программы.
136
ФІЗИКА ЖИВОГО ЯК НАУКА ПРО ЖИВЕ
Л.І.СИДОРЕНКО
В статті обгрунтовуються теоретико-методологічні можливості фізики живого розкрити сутність живого, досліджуючи його фундаментальні фізичні принципи і виходячи при цьому з урахування специфічної цілісності та самоорганізації живого. Показана принципова відмінність методології фізики живого як галузі постнекласичної науки від некласичної фізики, яка покладалася на методологію редукціонізму, що дозволяло дослідити фізичні особливості біологічних об"єктів, але робило неможливим дослідження фізичних законів живого як цілісногсті, що самоорганізується. Використовуються базові теоретичні і методологічні положення фізики живого, представлені в працях професора С.П.Сітька і професора І.С.Добронравової.
ФИЗИКА ЖИВОГО КАК НАУКА О ЖИВОМ
Л.И.СИДОРЕНКО
В статье обосновываются теоретико-методологическое возможности физики живого раскрыть сущность живого, исследуя его фундаментальные физические принципы и исходя при этом из учета специфической целостности и самоорганизации живого. Показано принципиальное отличие методологии физики живого как области постнеклассической науки от неклассической физики, возлагавшей надежды на методологию редукционизма, что позволяло исследовать физические особенности биологических объектов, но делало недоступным исследование физических законов живого. Использованы базовые теоретические и методологические положения физики живого, представленные в работах профессора С.П.Ситько и профессора И.С.Добронравовой.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Sitko S.P. Physics of Alive - the New Trend of Fundamental Natural Sciences// Physics of Alive. - 2000. - Vol.8, № 2. - P.5-13.
2. Общая теория систем. - М.: Мир, 1966. - 187с.
3. Лекторский В.А., Садовский В.Н. О принципах исследования систем. // «Вопросы философии» - 1960. - №8. - С.67-79.
4. Шредингер Э. Что такое жизнь? С точки зрения физика. - М.: Атомиздат, 1976. - 247с.
5. На пути к теоретической биологии. - М.; Мир,1970. - 182 с.
6. Ehrenberg R. Teoretische Biologie. – Berlin, 1928.
7. Бернал Дж. Молекулярные матрицы живых систем// Происхождение предбиологических систем. - М.:1966. - С.76-98.
8. Майр Э. Причина и следствие в биологии// На пути к теоретической биологии. М.: Мир, 1970.-С.47-58.
9. Добронравова И.С. Физика живого как феномен постнеклассической науки// «Физика живого».- 2001.- Т.9. - № 1.
10. Рьюз М. Философия биологии. М.: «Прогресс», 1977. - 319 с.
11. Майр Э. Популяции. Виды и эволюция. - М.: Мир, 1974. - 460 с.
12. Бернал Дж. Наука в истории общества. - М.: Издательство ИЛ, 1956. - 735 с.
13. Бернал Дж. Молекулярная структура, биохимическая функция и эволюция // Теоретическая и математическая биология. - М.: Мир, 1968.- С.110 - 153.
14. Пригожин И. Переоткрытие времени // «Вопросы философии» 1989. - № 8. - С.4-19.
15. Наука и культура. "Круглый стол" журнала "Вопросы философии"// «Вопросы философии» - 1998. - №10. - С.3-38.
16. Огурцов А.П. Особенности биологического познания// О специфике биологического познания. М.: 1987.
137
Cидоренко Л.И. Физика живого как наука о живом. //Фізика живого. Vol. 9, No. 2, 2001. С. 131-137.