7. Феномен жизни и первая фундаментальная бифуркация

   Отбирая материал для методологического дополнения, я все время пытаюсь перебросить мост между естествознанием и гуманитарными науками, показать, что они могут излагаться на одном языке - это все составляющие одной системы знания, неразрывно связанные между собой. Более того, мне хотелось показать, что проблемы истории человека и его духовного мира нельзя оторвать от того, что происходит вокруг нас, от развития и Природы. Очень многие понимают эту связь, но рассматривают ее как одностороннюю: Природа влияет на человека, участвует в формировании цивилизации, но не наоборот. Но теперь цивилизация становится одним из важнейших геологообразующих факторов, поэтому происходящее в Природе зависит и от человека. Вот почему, говоря о развитии живого вещества на нашей планете, я буду стремиться использовать тот же язык динамических систем, который наиболее соответствует описанию происходящего в Природе. Это особенно удобно для описания процессов информационной природы, которые наиболее ярко показывают общую направленность мировой эволюции и объясняют в некотором смысле предопределенность появления интеллекта и общественных форм развития живого вещества, коль скоро оно уже возникло.
   Сама Земля и все, что на ней происходило вчера и будет происходить завтра, суть частные проявления единого процесса самоорганизации материи, подчиняющейся единой системе законов, действующих в Универсуме. Эти законы тоже, вероятно, изменяются во времени (во всяком случае, такая гипотеза естественна), но характерные значения времени их изменения лежат за пределами доступных нам знаний и измерений. Это заставляет нас считать их неизменными.
   Все развитие нашего мира выглядит сложным переплетением разнообразных противоположных начал и противоречивых тенденций на фоне непрерывного действия случайных причин, разрушающих одни стабильные структуры и создающих предпосылки для появления новых. Несмотря на огромные достижения науки послевоенных лет, она, как и во времена Вернадского, беспомощна поднять завесу над основной земной тайной - тайной ЖИЗНИ. Появление ЖИЗНИ на нашей планете, возникновение буфера между космосом и неживым, или, по терминологии Вернадского, косным веществом Земли, как и много лет тому назад, остается уделом гипотез, которые до сих пор не подкреплены надежным эмпирическим материалом. Мы знаем только то, что около четырех миллиардов лет тому назад на Земле появилась качественно новая форма организации материи, которая обладает рядом удивительных свойств. И главное из них - усваивать энергию Солнца с помощью фотосинтеза, снова производить живое вещество из косного вещества планеты.
   Удивительно и то, что жизнь на нашей планете вспыхнула практически мгновенно, практически одновременно с появлением Земли как космического тела. Во всяком случае через миллиард лет после того, как Земля сформировалась в качестве небесного тела, на ее поверхности уже существовала развитая биосфера - сфера функционирования живого вещества. Это были прокариоты, которые, используя углекислый газ, производили кислород - для них смертельно ядовитое вещество! К этому времени возникли не просто очаги жизни, а биосфера как целостная система. Она, конечно, была совсем иной, чем мы ее представляем сегодня. Но это была уже настоящая сфера жизни, и мы видим остатки ее былой и весьма интенсивной жизнедеятельности.
   Появление на Земле живого вещества качественно изменило геологическую историю, многократно ускорив все геохимические процессы в ее внешней оболочке. На поверхности Земли возникли океаны, а вокруг нее сформировалась мощная атмосфера, содержащая не только углекислоту, но и кислород (правда, в ничтожных количествах).
   Для того чтобы правильно оценить роль живого вещества в мировой эволюции и те скрытые возможности, которые таит этот процесс, достаточно сопоставить состояние двух космических тел - Земли и Луны. Все, что мы видим на Земле вокруг нас, порождено ЖИЗНЬЮ. Ничего похожего мы не видим на Луне.
   О причинах появления жизни на Земле думали многие поколения ученых. В конце прошлого века Сванте Аррениус предложил гипотезу панспермии: жизнь занесена на Землю из космоса. Эта гипотеза долгое время была очень популярна, и Вернадский относился к ней крайне серьезно. И действительно, механизм панспермии может содействовать распространению жизни во Вселенной. Но вряд ли гипотеза Аррениуса решает проблему - она сводит один вопрос к другому, не менее трудному: а откуда взялась жизнь в космосе?
   Попытка найти ответ на этот вопрос, как мне представляется, должна основываться на одной из двух альтернативных гипотезах.
   Первая - это признать, что ЖИЗНЬ возникла независимо от Универсума, что она извечна и изначальна, как и Универсум. Так именно и считал великий шведский естествоиспытатель. Для Аррениуса не существовало самого вопроса! Кстати, на этой точке зрения почти всю жизнь стоял Вернадский. Только в самом конце своего жизненного пути он стал сомневаться в ее правильности.
   Вторая гипотеза - это точка зрения универсального эволюционизма. Она считает, что ЖИЗНЬ - это результат эволюции Универсума. И возникла она как естественный этап его усложнения.
   Существует еще одна точка зрения - креационизм, предполагающая справедливость теории сотворения. Подобные системы взглядов я отказываюсь обсуждать - в принципе. Хотя и признаю их правомочность!
   Ни одна из этих гипотез не имеет достаточно надежного экспериментального фундамента, и выбор одной из них носит во многом субъективный характер, как и гипотеза о начальном взрыве, породившем нашу Вселенную. Я принимаю вторую гипотезу, поскольку принял гипотезу о начальном взрыве, с которой несовместима первая. Эта гипотеза мне представляется более убедительной, чем другие, так как еще в 1947 году Гамов обнаружил реликтовое излучение, факт которого несовместим с предположением о вечности Универсума. Вот почему возникновение биосферы Земли я считаю первой фундаментальной бифуркацией в истории нашей планеты. Однажды произошла перестройка развития небесного тела, именуемого Землей, с непредсказуемым результатом - возникла та форма организации материи, которую мы теперь называем ЖИЗНЬЮ и содержание которой до сих пор остается нами плохо понятым.
   В каком-то из ученых трактатов я прочел примерно следующее определение того, что автор называет жизнью. Он считает, что жизнь - это форма существования материи, обладающая способностью к метаболизму и редупликации. Еще в некоторых сочинениях я встречал замечание о том, что важнейшей особенностью живого организма является его стремление обеспечить собственный гомеостазис.
   Так или иначе, но с феноменом, который мы называем ЖИЗНЬЮ, имеет место исключительность сочетания по меньшей мере трех особенностей данной формы существования материи: метаболизма, т.е. способности обмениваться со средой материей и энергией, способности редупликации, т.е. воспроизведения того или иного организма или системы организмов, и стремления к сохранению своей целостности, т.е. способности формировать петли отрицательной обратной связи, не вытекающей непосредственно из принципа Ле Шателье, т.е. из законов сохранения.
   Обычно предполагается, что только живое вещество способно в совокупности обладать тремя перечисленными свойствами. Другими словами, предполагалось, что эти свойства являются не только необходимыми (что не вызывает сомнения), но и достаточными для идентификации живого вещества в качестве живого и позволяют определить его отличие от неживой материи.
   Последние десятилетия внесли в эти представления весьма существенные коррективы.
   В 60-е и 70-е годы появилась серия работ М. Эйгена, которые в совокупности были удостоены Нобелевской премии, и многие из них недавно переведены на русский язык. В этих работах было показано, что такой явно неживой объект, как биологические макромолекулы, обладают всеми указанными свойствами.
 
Некоторые пояснения мы можем дать с помощью следующей простой математической модели. Обозначим через х(t)некоторое количество однотипных элементов в момент времени t. Представим себе, что воспроизведение себе подобных происходит в дискретные моменты времени
 
 
t, t + d, t+ 2 d, t+ 3 d, …
Тогда динамику этого процесса мы можем описать с помощью следующего балансового соотношения:
 
 
x ( t+ nd) = f( x note 8, t+ { n- 1) d) - kx( t+ { n-1] d. (1)
Выписанное соотношение является частным случаем так называемого демографического уравнения, поскольку первое слагаемое правой части описывает интенсивность появления нового количества х(т.е. рождаемость), причем функция f- неотрицательная функция своих аргументов, если они отличны от нуля, и
 
 
f (0, t+ nd) = 0,
 
 
ибо нулевое количество элементов ничего произвести не может. Второе слагаемое в уравнении (1) описывает смертность - интенсивность убытия элементов, которая принимается обычно пропорциональной их количеству. Поэтому, если в некоторый момент времени величина х, вычисленная в силу уравнения (1), окажется отрицательной, то ее следует положить равной нулю. И на этом прекратить вычисления, поскольку совокупность элементов note 9перестает существовать!
Таким образом, после работ Эйгена стало очевидным, что метаболизм и редупликация вовсе не являются прерогативой только одного живого вещества и этих свойств недостаточно для того, чтобы идентифицировать живое вещество - выделить его из мира остального вещества. Многие, в том числе и я, полагали, что таким исключительным свойством живого остается его стремление сохранить свою целостность.
Однако в 1991 году я предложил модель системы элементов, необязательно живых, способных формировать петли отрицательной обратной связи, сохранявшей целостность системы. (См. мою статью: Биота как регулятор и проблема sustainability // ЖВМ и МФ, 1994. Т. 34, N 4). В ее основе лежит постулат о том, что в любом реальном процессе неизбежно присутствуют те или иные случайные факторы. Из него, в частности, следует, что любое множество не может состоять из вполне тождественных элементов. Будем обозначать через X= note 10множество элементов х, обладающих свойством s. Кроме того, условимся, что с некоторой вероятностью элемент, обладающий свойством s, может порождать и другие элементы. Это позволяет нам переписать (в рамках гипотезы о средних) уравнение (1) в следующей форме.
 
 
xs ( t+ nd) = f( x1[ t+ note 11 d, x2[ t+ note 12 d,…, t+[ n-1} d) - kxs( t+{ n-1} d). (2)
К этому уравнению необходимо добавить еще условие неотрицательности величины xs, о котором мы говорили выше.
Уравнение (2) - простейшая интерпретация процесса неточной редупликации. Несмотря на свою простоту, оно описывает ряд замечательных свойств, присущих множеству
 
 
X = note 13.
Прежде всего, оно показывает, что за счет стохастики (неточности воспроизведения) множество элементов Хможет превратиться в систему взаимосвязанных элементов, состояние каждого из которых влияет на судьбу остальных. Но это еще, вероятно, не главное. Уравнение (2) показывает, что у множества Хвозникают чисто системные свойства, которые не следуют из свойств отдельных элементов. А именно: в системе возникает тенденция сохранения целостности системы. В самом деле, предположим, что в некоторый момент t+ ndодин из элементов, например xs( t+ nd), в силу уравнения (2) оказался равным нулю, т.е. его смертность превзошла рождаемость. Но в следующий момент времени t+( n+1) уравнение (2), выписанное для этого элемента, будет иметь вид:
 
 
xs ( t+ note 14 d) = f( x1 note 15, x2 note 16,…, t+ nd) › 0. (3)
Другими словами, за счет неточности редупликации элемент xs, выбывший из системы на предыдущем шаге, снова в ней восстановится. Значит, в системе Хвозникла обратная связь, сохраняющая целостность системы - стремление обеспечить существование элементов, сохраняющих свойство s. И возникновение такой обратной связи - специфическое свойство системы, появляющееся в результате действия алгоритмов сборки! И оно невыводимо из свойств элементов xs.
Изложенный пример в некоем смысле замыкает картину: ни метаболизм, ни редупликация, ни даже возникновение обратных связей, обеспечивающих стабильность системы, не являются прерогативой только живого вещества. Они всего лишь свойства, необходимые для его функционирования. Но они недостаточны для его идентификации, для определения ЖИЗНИ как феномена, рожденного Универсумом в процессе его эволюции.
Из сказанного можно сделать вывод о том, что в настоящее время определение понятия “живое вещество” (включая знаменитое высказывание Энгельса о том, что жизнь есть форма существования белковых тел), удовлетворяющее требованиям рационализма, отсутствует.
Тем не менее мы чувствуем и знаем то качественное отличие вещества живого от косного, утверждение которого на поверхности планеты качественно изменило характер ее развития. На ее поверхности возникла сверхтонкая пленка живого вещества, которая, взаимодействуя с энергией космоса, повернула все процессы эволюции в новый канал развития. И это дает мне основание считать возникновение биосферы первой фундаментальной бифуркацией в истории эволюции Земли как небесного тела.
 

8. Закон Пастера-Кюри

   Итак, мы не в состоянии ответить на вопрос о том, что такое ЖИЗНЬ, дать строгое определение этому феномену. Мы знаем только некоторые свойства живого вещества, которые необходимо должны сопровождать его жизнедеятельность. Мы знаем, что оно должно быть способно к метаболизму и редупликации и формировать петли отрицательной обратной связи, обеспечивающие стабильность (сохранение гомеостаза). Однако всеми этими свойствами могут обладать и материальные системы, которые мы никак не можем отнести к живому веществу. Пример тому - системы биологических макромолекул, пример, конечно, исключительный, хотя и очень важный с общемировоззренческих позиций.
 
Но, оказывается, существуют и более удивительные свойства, которыми должно обладать живое вещество (и даже продукты его жизнедеятельности), свойство, которое позволяет отличать любое неживое вещество от живого. К сожалению, и это свойство тоже только необходимое и обладание им тоже недостаточно, чтобы ответить на вопрос: а что все-таки означает словосочетание “ живое вещество”?
В начале 40-х годов прошлого века Луи Пастер обнаружил, что любое живое вещество и многие продукты его жизнедеятельности в одном отношении подобны кристаллам: они обладают способностью поляризовать свет. Еще через 30 лет Пьер Кюри объяснил причины этого явления. Оказалось, что атомы и молекулы любого вещества всегда расположены определенным образом: они образуют некоторую структуру. Впрочем, это знали еще и до Кюри. Но именно он установил, что кроме данной структуры атомы и молекулы могут образовать и ее зеркальное отображение, обладающее теми же физико-химическими свойствами.
Другими словами, молекулы могут быть правыми и левыми. Но еще раз: по своим химическим свойствам они неразличимы! Обычное косное вещество обладает свойством хиральности:левые и правые молекулы смешаны в нем приблизительно в одинаковой пропорции. Благодаря этому они и не поляризуют свет. А вот живое, как объяснил Кюри, этим свойством не обладает. Вещество может входить (или усваиваться живым организмом) только в том случае, если оно обладает вполне определенным типом симметрии. Так, например, молекулы всех аминокислот в любом организме могут быть только левыми, а сахара - только правыми! Это свойство живого вещества носит название диссимметрии. Благодаря ему оно и поляризует свет.
Факт, установленный Пастером и объясненный Кюри, получил название закона Пастера-Кюри. Он носит совершенно фундаментальный характер!
Таким образом, если вещество не поляризует свет, то оно заведомо не может быть живым. Но обратного утверждения мы, к сожалению, сделать не можем, поскольку существует множество заведомо неживых объектов косного мира, которые поляризуют свет. Пример тому - кристаллы. И все же закон Пастера-Кюри имеет совершенно исключительное значение в нашем мире, и его возможности до конца не поняты. Так, по своим химическим свойствам правые и левые молекулы неразличимы. Мы их не можем различить ни в какой химической лаборатории, а живое вещество их различает! Оно подобно физику, владеющему электронным микроскопом и прочей современной оптической и рентгеновской техникой. Оно не только их различает, но и способно делать выбор: отбраковывать один тип молекул и использовать другой!
Другими словами, живое вещество каким-то непостижимым образом получает информацию о природе симметрии молекул, с которыми оно взаимодействует, и распоряжается ею по непонятным для нас правилам. Оно отбраковывает и не использует молекулы, не обладающие нужной ему структурой - типом симметрии. Живое вещество обладает новым и для нас непонятным принципом отбора. Может, это отбор по принципу устойчивости. И не наводит ли он на размышление о принципах отбора возможных общественных структур?
Закон Пастера-Кюри позволяет сделать еще одно важнейшее заключение.
Сегодня в руках ученых есть довольно много веществ космического происхождения. Это и остатки метеоритов, и некоторое количество лунного грунта. Но все это вещество космического происхождения не обладает какими-либо признаками диссимметрии: оно свет не поляризует! Такой факт переоценить невозможно, ибо он позволяет сделать вывод о том, что в ближнем космосе нет живого вещества или вещества, являющегося результатом его жизнедеятельности. Это обстоятельство является одним из важнейших аргументов в пользу гипотезы о том, что земная жизнь имеет чисто земное происхождение!
Но если принять эту, весьма правдоподобную гипотезу, то мы придем в противоречие со знаменитым законом Пастера-Редди: все живое - только от живого! Этот принцип - одно из важнейших эмпирических обобщений рационалистической мысли: мы не знаем примеров, которые бы ему противоречили. И тем не менее мы должны поставить под сомнение этот великий принцип, который как догадка был высказан Редди еще в средние века и экспериментально подтвержден Пастером, что принесло ему мировую славу.
В самом деле, коль скоро мы приняли гипотезу о начальном взрыве и основные постулаты универсального эволюционизма, то необходимо должны принять и гипотезу о принципиальной возможности возникновения живого из неживого и войти в противоречие с принципом Пастера-Редди. Заметим еще раз, что гипотеза панспермии Сванте Аррениуса проблемы не решает, поскольку она описывает лишь возможный механизм переноса элементов живого вещества через космические пространства. Даже если он однажды и состоялся, мы все равно вынуждены были бы предположить, что в процессе эволюции в какой-то момент в какой-то точке пространства живое вещество возникло из неживого.
Но приняв это, логично предположить, что земная жизнь возникла на Земле, когда условия на ней были качественно иными, нежели сейчас. Это нам сократит перечень принимаемых гипотез. А принцип Пастера-Редди нам придется переформулировать более точно: все живое в современных условиях происходит только от живого!
Строя эту систему умозаключений, связанных с принципом Пастера-Редди, я испытываю определенную неловкость, ибо понимаю сколь шатки мои аргументы в пользу предлагаемой системы предположений и той картины мира, которую я представляю читателю. И все же я рискую ее излагать, ибо она не противоречит эмпирическим знаниям, вместе с теми уточнениями, которые я сделал.
Существующих эмпирических данных недостаточно для построения замкнутой непротиворечивой картины мира. Для создания о ней целостного представления систему возможных эмпирических обощений приходится дополнять неким количеством “правдоподобных гипотез”. Их обоснование всегда остается на совести автора и его интуиции. Важно, чтобы они не противоречили имеющемуся эмпирическому материалу! Подобные гипотезы и были сформулированы в этом параграфе.
Мы должны принять неизбежность их включения в картину мира, поскольку нам нужна некоторая целостность. Хотя говоря об этом дополнении я употребил термин “философия естествознания”, но на самом деле я пытаюсь построить некоторое прагматическое основание для практической оценки происходящего. Без целостности миропредставления его построить невозможно. Только целостность открывает исследователю горизонты, дает широту в выборе направлений, расставляет основные приоритеты. К тому же она закрывает возможность различных спекуляций.
Моя манера рассуждений может вызвать различные возражения. И вот одно из них. Гипотезы - всего лишь домыслы, всего лишь предположения. Можно ли на их основе принимать какие-либо решения? Всегда есть риск, что они окажутся ошибочными.
Подобное возражение трудно опровергнуть. Риск всегда присутствует! И у меня, на самом деле, нет гарантий в правильности решений, принятых на основе тех или иных гипотез. Но не следует забывать, что предлагаемые гипотезы не просто домыслы. Это утверждения, которые предлагает исследователь на основе своего опыта и интуиции. А последнее - один из важнейших путей познания, которым человечество обязано, может быть, самыми важными ПРОЗРЕНИЯМИ. Все современное естествознание, начиная с революции Коперника-Ньютона, начиналось с гипотез.
Исследователь всегда использует те или иные, не очень обоснованные гипотезы, но далеко не всегда обращает внимание на шаткость исходных предположений.
 

9. Вернемся к Шредингеру

   Итак, я рассказал о целом ряде свойств, которые изначально присущи живому веществу. Если выясняется, что некоторое вещество ими не обладает, то мы можем утверждать, что оно принадлежит к миру косной материи, т.е. не является живым. Но обратное утверждение, к сожалению, места не имеет. Из того факта, что некоторое вещество обладает перечисленными свойствами, мы еще не имеем права сделать вывод о том, что оно живое. Более того, мы не можем дать удовлетворительного определения этого феномена - сказать, что такое ЖИЗНЬ, и определить понятие живого вещества.
 
Мы не можем не согласиться со словами Эрвина Шредингера, которые он произнес еще в начале 40-х годов: “Современной физике и химии свойственна явная неспособность объяснить такие явления (т.е. процессы жизнедеятельности. - Н.М.), что не дает никаких оснований сомневаться в том, что они могут быть объяснены этими законами”. (Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики. М., 1947. С. 14). Я тоже убежден, что все детали процесса жизнедеятельности могут быть описаны на языке физики и химии, но ответить на вопрос о том, что такое ЖИЗНЬ, почему все происходит так, а не иначе, опираясь только на известные законы физики и химии, мы вряд ли сможем. И не только в ближайшем десятилетии. Этого, может быть, нельзя сделать в принципе. Может быть, для этого потребуется новая физика.
В то же время существует некая размытая граница, тесно связанная с законом Кюри-Пастера, между тем, что люди относят к миру живого, и миром косной материи. По-видимому, в живом веществе рождаются тонкие механизмы, отличающие одни явления от других, позволяющие по каким-то неизвестным нам принципам делать отбор, который однажды и на достаточно высоком уровне совершенства позволяет назвать его целеполаганием.
При изучении этих процессов возникает необходимость использования понятия “информация”, но не по Шеннону, а во всей ее сложности “понятия памяти и обратной связи”, в которой нет прямой необходимости, когда мы описываем явления, протекающие в мире косной материи.
Возникновение жизни в процессе эволюции Земли (а может, и Универсума) мне представляется грандиозной бифуркацией, т.е. переходом эволюционного процесса в совершенно новый канал развития, с новой организацией материи и новыми принципами отбора. Но, как и всякая бифуркация, реальная перестройка происходит не мгновенно. Это тоже динамический процесс, но идущий неизмеримо быстрее тех, которые предшествовали бифуркации, и четко отличить предбифуркационное состояние от постбифуркационного нельзя в принципе.
Вот почему, приняв предположение о том, что феномен жизни есть результат мирового эволюционного процесса, мы обязаны предположить, что и четкой границы, отделяющий живой мир от мира косной материи, нет! Переходные формы существовали, но, как и во всяком бифуркационном процессе, они были крайне неустойчивы. И они просто исчезли, не оставив даже следов, и о них сказать мы ничего не можем! И только отойдя от некоторой мифической границы, мы способны установить появление качественно нового русла мировой эволюции, связанной с целеполаганием и определяющей ролью процессов информационной природы.
Я думаю, что изложенная система взглядов обеспечивает логическую целостность конструкции, которую я и называю “картиной мира”, не противореча принятым эмпирическим обобщениям. Но предлагаемая система взглядов не вытекает из этих обобщений непосредственно! Она лишь служит основанием для предлагаемой мной интерпретации истории биосферы. А следовательно, и общества, о чем шла речь в первых (основных) частях книги.
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   Итак, я постарался рассказать о том представлении современной планетарной ситуации и тех допустимых сценариях ее развития, которые, как я думаю, возможны. Они будут определяться характером развития гражданского общества, его состояния, его интеллекта и воли, которые могут быть достигнуты в ближайшие десятилетия.
   Именно эти десятилетия окажутся решающими в формировании ответов “века свершения” на вызовы “века предупреждения”.
   Прочтя еще раз написанное, я хочу СНОВА отметить ту мысль, которая была лейтмотивом предлагаемой работы. Цивилизация сможет сохранить себя, она имеет шанс дальнейшего развития. Но тогда и только тогда, когда экономика перестанет быть демиургом современного общества, когда она обретет то место, которое ей уготовано Природой, - поддерживать существование Человечества, а не определять его историю, когда восхождение к Разуму сделается действительно главной целью нашего биологического вида. Ибо только этот путь сможет обеспечить гомеостаз человека как биологического вида! А следовательно, и стабильность биосферы.
   В этом контексте программа “sustainable development” должна быть не целью развития общества, а лишь очередной ступенью на том пути восхождения к Разуму, на который вступили наши далекие предки, изгнанные из леса. А “Хартии Земли” предстоит стать тем документом, который утверждает определяющее место духовного мира человека в судьбе человечества.
 
   Я понимаю, что эта цель утопична. И она будет таковой, пока есть хоть какие-либо шансы жить по традиционным канонам. Ну что же, не приняв утопии, мы однажды примем реальность: КОНЕЦ ИСТОРИИ . Третьего не дано! Как скоро? Не знаю, но думаю, что ожидание не будет очень длительным!