Что такое жизнь?

(В чем заключено главное различие между живой и косной природой?)

Львов Иосиф Георгиевич

В статье предлагается принципиально новый (и в то же время совершенно простой, естественно вытекающий из фундаментальных физических законов) ответ на извечный человеческий вопрос о сущности явления жизни.

Если прямая цель всякой научной работы - раскрывать тайны природы, то она оказывает и другое, не менее ценное действие на ум исследователя. Она делает его обладателем методов, и к выработке их ничто, кроме научной работы, не могло бы его привести; это ставит его в положение, с которого многие области природы, помимо тех, которые он изучал, являются перед ним в новом свете.

Дж. К.Максвелл

1. Состояние вопроса

Чем сложнее обилие новых фактов, чем пестрее разнообразие новых идей, тем повелительней звучит призыв к объединяющему мировоззрению.

Г.Гельмгольц

Вопрос "Что такое жизнь?" всегда составлял одну из наиболее фундаментальных тайн мироздания, издавна волновавших человечество. Во все времена люди пытались дать на него более или менее адекватный ответ, соответствующий текущему уровню развития их взглядов на природу. Но и сегодня, на рубеже второго и третьего тысячелетий нашей эры, единого, всеми признанного мнения по данной животрепещущей проблеме, как это ни странно, по-прежнему не существует. Высказываются, конечно, многочисленные предположения, апеллирующие к тем или иным вторичным признакам жизни, приводятся, естественно, определенные доводы в их пользу. Однако именно отмеченный второстепенный характер обсуждаемых при этом признаков делает само их число в целом настолько большим, что специалисты вынуждены вести непрекращающиеся споры о приоритете каких-либо конкретных из них. И конца подобному положению дел, к сожалению, не видно, ибо по-настоящему фундаментального определения жизни, с позиций которого можно было бы объяснить все указанные относительно частные ее проявления, до настоящего времени все же никто так и не предложил. А между тем понять сущность жизни, как нам представляется, не сложно. Нужно лишь взглянуть на названную проблему с наиболее общей точки зрения, затрагивающей самые коренные аспекты мироздания. Именно попытке показать это на практике и посвящена настоящая статья.

Сначала, однако, требуется хотя бы коротко изложить уже имеющиеся точки зрения. В связи с тем, что у нас здесь нет возможности осветить целиком всю описанную выше дискуссию, ограничимся тем, что процитируем максимально полно соответствующую статью из "Философского энциклопедического словаря", где указанное фундаментальное понятие "жизнь" определяется в стремлении учесть все существующие точки зрения следующим вынужденно многословным образом: "Жизнь - это форма существования материи, закономерно возникающая при определенных условиях в процессе ее развития. Живые объекты отличаются от неживых обменом веществ (непременное условие жизни), раздражимостью, способностью к размножению, росту, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, приспособляемостью к среде и т. д. ...Дарвин в "Происхождении видов" так определял основные законы, лежащие в основе возникновения всех форм жизни: "Эти законы, в самом широком смысле - Рост и воспроизведение, Наследственность, почти необходимо вытекающая из воспроизведения, Изменчивость, зависящая от прямого или косвенного действия жизненных условий и от упражнения и неупражнения. Прогрессия размножения, столь высокая, что она ведет к Борьбе за жизнь и ее последствию - Естественному отбору...".

В целом, - делается затем в словаре резюмирующий вывод, - обобщение Дарвина сохраняет свою силу и по ныне, а его основные законы жизни сводятся к двум, еще более общим. Это прежде всего способность живого ассимилировать полученные извне вещества, т. е. перестраивать их, уподобляя собственным материальным структурам, и за счет этого многократно воспроизводить их (репродуцировать). Способность к избыточному самовоспроизведению лежит в основе роста клетки, размножения клеток и организмов и, следовательно, - прогрессии размножения (основное условие для естественного отбора), а также в основе наследственности и наследственной изменчивости. Воспроизведение себе подобного - фундаментальное свойство живого - ныне получает интерпретацию в терминах химических понятий. Другая особенность живого заключается в огромном многообразии свойств, приобретаемых материальными структурами живых объектов. ...Реализация многообразной информации о свойствах организма осуществляется путем синтеза согласно генетическому коду различных белков, которые благодаря своему разнообразию и структурной пластичности обусловливают развитие различных физических и химических приспособлений живых организмов. На этом фундаменте в процессе ЭВОЛЮЦИИ возникли непревзойденные по своему совершенству УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ.

Таким образом, - подводится далее окончательный итог, - жизнь характеризуется ВЫСОКОУПОРЯДОЧЕННЫМИ материальными структурами, которые составляют живую систему, способную в целом к самовоспроизведению. Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в отношении многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем УПОРЯДОЧЕННОСТИ: структурной и функциональной, в пространстве и во времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого - результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне. Живые организмы обмениваются с окружающей средой ЭНЕРГИЕЙ, ВЕЩЕСТВОМ и ИНФОРМАЦИЕЙ, т. е. являются ОТКРЫТЫМИ СИСТЕМАМИ. При этом, в отличие от неживых систем, живому присуща способность к УПОРЯДОЧЕНИЮ, к созданию ПОРЯДКА из ХАОСА (т. е. ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ВОЗРАСТАНИЮ ЭНТРОПИИ). Однако снижение энтропии в живых системах возможно ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ ПОВЫШЕНИЯ ЭНТРОПИИ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ, так что В ЦЕЛОМ ПРОЦЕСС ПОВЫШЕНИЯ ЭНТРОПИИ ПРОДОЛЖАЕТСЯ" [1, С.192,193.].

Итак, как видим, в качестве определяющих черт жизни приводится сегодня, как мы и предупреждали, множество самых разнообразных ее признаков, среди которых выделяется затем вроде бы несколько так называемых основных. Но и они, как легко заметить, тоже далеко не самодостаточны и требуют поэтому в дополнение к основной своей формулировке многочисленных специальных пояснений, что прямо указывает, подчеркнем данный момент снова и снова, на сугубо вторичный характер этих признаков, являющихся на самом деле лишь необходимыми частными следствиями некой исходной, по-настоящему фундаментальной черты живого, понять которую до конца, к сожалению, так пока и не удалось. Иначе говоря, простой и легко объяснимый с позиций обычной человеческой логики единый критерий жизни к настоящему моменту, как уже говорилось, по сути дела вообще отсутствует. Но при этом, что видно даже из приведенной только что цитаты, любой достаточно строгий разговор о сущности живого непременно сводится в конце концов к универсальным физическим понятиям, и данный факт, акцентируем теперь это обстоятельство особо, вовсе не случаен. Напротив, - он абсолютно закономерен, что легко можно показать как раз путем упомянутых общелогических рассуждений.

Ведь в чем состоит в действительности само определение того или иного понятия? Да всего лишь в установлении того, чем именно оно отличается от прямо противоположного себе по своему основному логическому смыслу. Т. е. на самом деле всегда определяются сразу два понятия, являющиеся друг для друга антиподами. А значит, и определение собственно жизни должно состоять в общем случае в установлении непосредственно отмеченного главного различия между ней и косностью, как раз и соответствующей прямо противоположному понятию "не жизнь", т. е. жизнь и косность должны определяться одновременно. Но для разрешения этой базовой задачи совершенно необходим, понятно, принципиально общий взгляд на всю природу в целом, охватывающий равным образом как жизнь, так и косность, который только и дает изучающая действительно наиболее общие законы мироздания упомянутая физика (если угодно - натуральная философия). Чисто же биологический анализ, как теперь уже всем должно быть ясно, сам по себе просто не способен помочь в осмыслении исходной сущности жизни, т. к. слишком узок для достижения подобной фундаментальной цели, почему и заканчивается обычно при обсуждении отмеченного глобального вопроса переходом рано или поздно обязательно к физическим понятиям. А в конечном счете, как легко заметить из той же процитированной выше статьи "Философского энциклопедического словаря", - к одному, самому общему из них - энтропии! Что и неудивительно: различие между жизнью и не жизнью, принадлежащее, как всем понятно, к числу наиболее фундаментальных в природе, обязательно должно быть связано в своей основе с наиболее универсальным физическим законом, которым и является олицетворяемое этим базовым понятием так называемое второе начало термодинамики.

Данный факт хорошо осознают, конечно же, и сами физики, очень многие из которых посвятили свои труды изучению рассматриваемой интереснейшей проблемы. В том числе и такие наиболее известные из них, как, скажем, один из главных создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии Эрвин Шредингер, выпустивший еще в сороковых годах истекающего столетия небольшую, но чрезвычайно знаменитую книжку с весьма показательным общим названием: "Что такое жизнь? С точки зрения физика". В ней он прямо связал основное направление поиска ответа на данный чрезвычайно волновавший его вопрос с изучением следствий из указанного краеугольного второго начала термодинамики, которое характеризуется им как "наиболее важный, наиболее общий и всеохватывающий закон" [2, С.80.] природы. Но дать на этой основе само искомое определение жизни Шредингер, к сожалению, так и не сумел, чему тоже есть свое вполне понятное логическое объяснение: для разрешения данной ключевой задачи, как мы еще увидим, помимо общефизического необходимы также и некоторые другие сугубо специфические на первый взгляд подходы к рассматриваемой при этом особой проблематике, развитые пока преимущественно уже именно в специальных отраслях науки.

И прежде всего необходим тот принципиально важный логический подход, который получил на сегодняшний день свое развитие в первую очередь именно в биологии. Этот особый способ мышления коротко можно назвать по имени его создателя просто дарвинизмом, т. к. основы его коренятся именно в упоминавшемся уже учении Чарлза Дарвина об устройстве органического мира. Однако применим он, как далее будет показано, не только к анализу собственно живой природы, но и всего мироздания вообще. Только соединение этих двух начал - физического понимания единства природы и, в частности, универсального характера наиболее общего из всех ее законов - второго начала термодинамики, с одной стороны, и сугубо биологического на первый взгляд дарвинистского логического мышления, с другой, дает в действительности тот философский сплав естественнонаучных знаний и методологии их использования (т. е. действительно создает своеобразный "философский камень"), который и позволяет совершенно по новому взглянуть на устройство всего материального мира. А значит, - легко разрешить на данной основе и собственно поставленную в настоящей статье конкретную задачу, связанную с поиском простого и хорошо понятного определения сущности жизни. Таким образом, именно на создании такого сплава и необходимо нам сконцентрировать прежде всего свое внимание, посвятив данному важнейшему вопросу весь следующий второй раздел.

2. Физический дарвинизм

Всеобщая борьба за существование живых существ не является борьбой за составные элементы - составные элементы всех организмов имеются налицо в избытке в воздухе, воде и недрах Земли - и не за энергию, ибо таковая содержится в изобилии во всяком теле, к сожалению, в форме непревращаемой теплоты. Но это - борьба за энтропию, которую можно использовать при переходе энергии с горячего Солнца к холодной Земле.

Л.Больцман  

Итоговая суть второго начала термодинамики имеет лишь косвенное отношение к самой этой науке и вопросам преобразования теплоты в целом. Просто так получилось исторически, что впервые над данным вопросом задумались именно при создании основ названной теории, откуда и возникло само название соответствующего физического закона. Но затем было выяснено (ведущую роль здесь сыграл как раз Людвиг Больцман), что он в равной степени распространяется на абсолютно все природные явления и поэтому поистине может считаться, как уже говорилось, наиболее общим и фундаментальным из всех. В конечном счете оказалось, что закон этот, выражаясь на сей раз точным языком "Физического энциклопедического словаря", "имеет статистически-вероятностный характер и выражает постоянную тенденцию системы к переходу в БОЛЕЕ ВЕРОЯТНОЕ состояние. Максимально вероятным является состояние равновесия; за достаточно большой промежуток времени любая замкнутая система достигает этого состояния" [3, С.95.]! При этом собственно энтропия отражает по существу просто вероятность конкретного состояния и непрерывно растет поэтому по мере самопроизвольного движения системы к отмеченному равновесию.

Но полное равновесие, как легко понять, крайне бессодержательно, т. к. при связанной с ним всеобщей однородности принципиально нельзя определить какие-либо дополнительные понятия - невозможно подобрать соответствующие им противоположности, описание различий с которыми, напомним, и составляет логическую основу такого определения. Таким образом, полностью однородное равновесное состояние характеризуется именно максимальной бессодержательностью и сводится к одному только хаотичному неупорядоченному движению молекул или других образующих систему частиц, в силу чего его иногда и сравнивают, как мы видели при цитировании "Философского энциклопедического словаря", с хаосом или полной неупорядоченностью. И напротив, - далекое от равновесной однородности состояние, характеризующееся ярко выраженной структурой, напрямую связывают с наличием порядка и называют, соответственно, упорядоченным, что и позволяет трактовать само краеугольное второе начало просто как наличие у замкнутых систем тенденции к самопроизвольному переходу из упорядоченных состояний в неупорядоченные. Или коротко - как тенденцию к разупорядочению с энтропией в качестве количественной меры образующегося при этом хаоса.

Вот как описывает эту тенденцию, например, сам Шредингер: "Если неживую систему изолировать или поместить в однородные условия, всякое движение обычно очень скоро прекращается; разность электрических или химических потенциалов выравнивается; вещества, которые имеют тенденцию образовывать химические соединения, образуют их, температура выравнивается вследствие теплопроводности. Затем система в целом угасает, превращается в мертвую инертную массу. Физик называет это состояние термодинамическим равновесием, или состоянием максимальной энтропии... Что такое энтропия? Разрешите сначала подчеркнуть, что это не туманное представление или идея, а измеримая физическая величина. Я [упомянул] это... для того, чтобы освободить энтропию от той атмосферы загадочности, которой ее часто окружают. Гораздо более важна для нас связь энтропии со статистической концепцией упорядоченности и неупорядоченности - связь, открытая Больцманом и Гиббсом на основе данных статистической физики... Изолированная система или система в однородных условиях... увеличивает свою энтропию и более или менее быстро приближается к инертному состоянию максимальной энтропии. Мы узнаем теперь в этом ОСНОВНОМ ЗАКОНЕ ФИЗИКИ естественное стремление материи приближаться к хаотическому состоянию" [2, С.72-75].

Объясняется же это естественное стремление, повторим специально еще раз, просто-напросто тем, что высокоструктурированные упорядоченные состояния являются элементарно менее вероятными, чем лишенные такой структуры разупорядоченые, причем различие этих вероятностей в подавляющем числе случаев очень велико. Вследствие чего при взаимодействии многочисленных случайных факторов очень редко может произойти самопроизвольное возникновение упорядоченности, и очень часто - самопроизвольное ее разрушение. Но все же иногда упорядоченность, обратите внимание, может самопроизвольно и возникать, что и вынуждает говорить о естественном стремлении природных систем к разупорядочению именно как о тенденции, а не абсолютном законе. Такой же характер носят, впрочем, и все прочие физические законы, хотя большинство людей и считает их, не вникая в подробности, абсолютными: "Законы физики, как мы их знаем, - замечает по данному поводу тот же Шредингер, - это статистические законы. Они связаны с естественной тенденцией материи переходить к неупорядоченности... Не физику трудно поверить, - добавляет он, - что обычные законы физики, которые он рассматривает как образец нерушимой точности, должны основываться на статистической тенденции материи переходить к неупорядоченности... Общим принципом здесь является знаменитый второй закон термодинамики (принцип энтропии) и его столь же знаменитое статистическое обоснование" [2, С.71,72.]! В настоящей статье, однако, мы эту сторону вопроса вследствие ее относительной малозначимости для рассматриваемых здесь конкретных закономерностей учитывать далее не будем.

Подчеркнем лучше теперь особо, что хотя в чистом виде описанная сейчас тенденция, как многократно специально отмечалось, свойственна прежде всего именно замкнутым системам, не взаимодействующим ни в какой мере с окружающей их внешней средой, открытость большинства реальных систем вовсе не отменяет, а лишь ослабляет ее, несколько модифицируя ситуацию. В частности, - вследствие обмена упорядоченностью между открытыми системами таковая у некоторых из них может теперь и возрастать, но только ценой, и это принципиально, еще большего ее снижения у системы-донора, в качестве которой может рассматриваться и просто сама окружающая среда! Ибо образованная этими двумя системами общая гиперсистема, если она опять же не взаимодействует с какими-либо другими внешними системами, по определению является замкнутой и должна, следовательно, обязательно понижать свою суммарную упорядоченность при самопроизвольном протекании внутри нее подобных обменных процессов (что означает как раз упомянутое еще большее нарастание хаоса у теряющей упорядоченность системы по сравнению с частичным его сокращением у принимающей).

Именно это и имели ввиду авторы приведенной в предыдущем разделе обширной статьи из "Философского энциклопедического словаря", описывающей явление жизни, когда подчеркивали в ее завершение, что "живые организмы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией, т. е. являются открытыми системами..., однако снижение энтропии в живых системах возможно только за счет повышения энтропии в окружающей среде, так что в целом процесс повышения энтропии продолжается". Иными словами, исходная тенденция к разупорядочению является наиболее универсальной в природе даже и с учетом принципиальной открытости абсолютного большинства ее реальных систем (в главной своей массе к тому же вовсе не живых), что и обеспечивает ей ведущую роль в установлении самого общего устройства Вселенной (особо отмеченную, как мы видели, и собственно самим Эрвином Шредингером). Причем к пониманию последнего основополагающего факта легко можно прийти опять же путем самых элементарных логических рассуждений - стоит только задуматься о действительных причинах наличия или отсутствия в природе тех или иных конкретных ее объектов, как сразу становится очевидной следующая предельно простая истина: в самом общем плане все определяется устойчивостью этих объектов, т. е. тем, насколько долго они могут противостоять указанной всеобъемлющей тенденции!

Или, более конкретно, тем, какова скорость их непосредственного разрушения, свойственного любой замкнутой системе, и как при этом проявляется к тому же сама их относительная открытость, т. к. в зависимости от того, является ли наша система в последнем отношении донором упорядоченности или реципиентом, т. е. преобладает ли поток таковой от нее в окружающую среду, или наоборот, результирующая скорость ее деградации, складывающаяся теперь из "внутренней" и "внешней" своих составляющих, может, понятно, как увеличиваться на величину последней, так и, напротив, сокращаться. Причем в более сложном втором случае сама результирующая скорость может даже иногда и вовсе стать отрицательной (т. е. разрушение сменится "созиданием") если внешняя составляющая превысит по абсолютной величине внутреннюю, что будет иметь вид либо самопроизвольного зарождения интересующих нас объектов, либо просто повышения их общей упорядоченности. Но с учетом того, что сам приток последней к ним может быть следствием, как уже было сказано, лишь еще большего разрушения других природных систем, удобнее все же говорить в целом о результирующей скорости именно разупорядочения, которая в отдельных локальных случаях может принимать, повторим, и отрицательные значения.

Но из такой постановки вопроса уже прямо следует, что рассмотренная сейчас краеугольная тенденция создает условия для существования в природе всеобщего исходного естественного отбора, охватывающего абсолютно все ее явления! Именно в этом выводе (т. е. в выдвижении на передний план самого принципа естественного отбора по критерию результирующей устойчивости) и состоит основная суть того "Физического дарвинизма", который представляет собой искомый нами сплав общефизического подхода к реальности и собственно дарвинистского логического мышления. Ведь как явствует из того же "Философского энциклопедического словаря", основная "историческая заслуга Дарвина [состоит в действительности] в том, что он выявил важнейший движущий фактор эволюции - естественный отбор, положив тем самым начало причинному анализу эволюционного процесса и других факторов эволюции" [1, С.146.]! Правда сама выявленная Дарвином основная причина такого отбора (конкуренция между живыми организмами в ходе их борьбы за существование) проявляется, понятно, только на уровне собственно живой природы и потому является с общефизической точки зрения опять-таки сугубо вторичной, т. е. играет принципиально подчиненную роль, дополняя и развивая собой на данном конкретном уровне строения материи наиболее фундаментальную причину глобального естественного отбора в целом - всеобщую тенденцию к разупорядочению.

При этом шел Дарвин к пониманию ведущей роли естественного отбора, как раз и ставшему ядром совершенного им научного переворота (сама идея эволюции была хорошо известна и ранее), долго и трудно. В том же "Философском энциклопедическом словаре" этот его длительный научный путь описывается следующим весьма наглядным образом: "Став к 1837 году убежденным эволюционистом, Дарвин занялся поисками движущего фактора эволюции... В 1854-55 годах [он] начал подготовку работы о происхождении видов, обобщая весь известный материал по ...эволюции диких животных и растений, а также по методам селекции домашних животных и культурных растений... В поисках движущих факторов эволюции Дарвин обратил внимание на демографические работы Т. Мальтуса, опираясь на которые пришел к идее "борьбы за существование". Дарвин выделил две формы конкуренции - внутри- и межвидовую... Вымирание неприспособленных и выживание приспособленных лежит в основе сформулированного Дарвином принципа естественного отбора" [1, С.145,146.]. Добавим к тому же, что ключевым моментом в описанном сейчас открытии стало распространение Дарвином самого принципа отбора, хорошо известного уже к тому времени в форме так называемого "искусственного отбора", являющегося движущим фактором эволюции именно домашних животных и культурных растений, на всю живую природу в целом, т. е. переход от искусственного отбора к естественному, как более широкому всеобъемлющему понятию, включающему в себя, между прочим, и сам искусственный отбор тоже!

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: пример реферата, диплом.





1  2  3 | Следующая страница реферата