Пути изменчивости и эволюции живых систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пути изменчивости и эволюции живых систем

Для рассмотрения возможных путей изменчивости живых систем и перспектив эволюции, по нашему мнению, нужно сформулировать ряд вспомогательных определений и получить некоторые промежуточные выводы. На наш взгляд, существующие определения мало отвечают сформулированным задачам [1,5,11].

Так, в «Википедии» приводят следующие определения жизни - биологическое - особый вид материального взаимодействия генетических объектов, которые осуществляют синтез себе подобных. Критика - в чем состоит особенность? Почему в основе - синтез себе подобных? Биосфера в целом - живая, но не синтезирует себе подобных. По не опубликованному устному замечанию Блюменфельда, сделанному на одном из семинаров кафедры биофизики физфака МГУ, получается, что женатый человек живой, он может размножаться, а холостой - мертвый. Можно добавить, что далеко не все женатые люди имеют детей (если начать с уровня молодоженов), а те, кто имеет, разве они только и делают, что размножаются? К тому же, как классифицировать детей, людей пенсионного возраста? Другой пример - пчелиная семья - размножается только оплодотворенная матка, трутни участвуют в размножении вспомогательно, не все и очень ограниченный период времени, рабочие пчелы в принципе не могут размножаться. Таких коллективных видов в энтомологии масса, а в биологии немало особей, которые не могут размножаться по причине генетических дефектов. Кобыла, покрытая ишаком, рожает мула, мало похожего на мать и на отца, и не способного размножаться в принципе.

Физико-химический подход - жизнь - преобладание процессов синтеза над процессами распада. Критика - это только часть жизни, а когда организм умирает? Процесс умирания в большинстве случаев достаточно продолжителен, организм умирает по частям. Так, смерть человека связывают со смертью мозга, но ряд органов можно пересадить другому человеку, либо некоторые органы умирают раньше мозга и их приходится даже удалять хирургическим путем. Растения без воды увядают, прекращая синтезы, но оживить их без проблем, если вовремя полить. Только у растений в период светового дня синтезы преобладают над распадом, в темное время суток количество синтезов резко сокращается и распад преобладает над синтезом даже у растений. Семена растений и споры микробов - покоящаяся форма без каких-либо синтезов и а prori неизвестна их всхожесть. Семена растений в период прорамтания до начала фотосинтеза активно растут за счет запасов в зерне и распад преобладает над синтезами. Более того, даже активно растущий гетеротрофный организм, потребляя пищу, только часть пищи использует собственно для построения себя. Большая часть потребляемой энергии рассеивается в виде тепловой энергии, или не утилизируется - у теплокровных животных около 10% пищи не усваивается. К.п.д. синтезов и механической работы не превышает 30%. На синтез одной пептидной связи расходуется 4 молекулы АТФ, хотя гидролиз пептидной связи дает энергии мене одной фосфодиэфирной связи молекулы АТФ. В синтезах участвуют только мономеры макромолекул - аминокислоты, нуклеозиды, незаменимые жирные кислоты и т.д. В составе пищи эти соединения входят в виде макромолекул, а их гидролиз и всасывание в пищеварительном аппарате тоже идут с потерями [2,5]. Для синтезов необходимо построить значительное количество внутриклеточных органелл - рибосомы, аппарат Гольджи и т.д., что тоже весьма энергоемко [2,], а для получения энергии ее необходимо зафиксировать в макроэргических связях через гидролиз макромолекул пищи. Таким образом, процессы распада преобладают в живом почти всегда над процессами синтеза, что в корне отрицает подобное определение.

Химико - волновое определение - химическая волна, многомерная каталитическая циклическая реакция. Критика - неконструктивное введение других, по крайней мере, многим непонятных терминов. Отсутствие определения как такового и подмена некими тавтологиями.

Кибернетическое - жизнь - кибернетическая структура, реализующая специфические информационные свойства. Критика - подобные замечания как для химической модели, к тому же - а что такое информационные свойства?

Энтропийное определение - турбуленция в потоке информации - критика, аналогично выше приведенной.

Термодинамическое определение жизни - процесс одностороннего обмена информацией о структуре между ограниченной частью материального мира с ее окружением. - Информационные взаимодействия - не только одностороннее поглощение информации, нередко идет обмен, спор, дискуссия и они более продуктивны, чем одностороннее запоминание. Дальнейшая критика, аналогичная выше приведенным определениям.

В Большой Британской энциклопедии понятие жизнь как общебиологическое явление, не рассматривается. Прочие зарубежные источники приводят высказывания, не отличающиеся принципиально от рассмотренных выше.

Есть философские определения жизни, которые так же имеют все вышеперечисленные недостатки. Религиозные, ненаучные и юмористически определения приводить не вижу смысла.

Мне не удалось найти ни одного конструктивного определения жизни, которое бы связывало жизнь с более базовыми понятиями - пространство, время, масса, энергия. Несомненно, что жизнь отличается от косной материи составом, но в чем качественное отличие живой материи от мертвой (некогда живой) или косной материи, никто ничего не говорит. Медики, биологи и просто заинтересованные люди решают этот вопрос на интуитивном уровне, в каждом конкретном случае.

Из бытовых соображений можно сделать вывод, что жизнь всегда связана с информационными потоками. Потоки информации могут иметь начало и в косной материи и существовать без живых систем. Живые системы нередко попадают в обстоятельства необходимости принятия решения в условиях неопределенности с ограничениями на время принятия решения и стоимость выработки решения.

Некоторые определения жизни оперируют понятием «информация», не определяя ее. Несомненно, что жизнь сильно связана с информацией и без определения ее не обойтись. Все живые системы способны к восприятию, хранению и переработке информации. Это одно из основных отличий от косной материи и от мертвого организма. Не случайно смерть человека связывают прежде всего со смертью головного мозга, основной информационной системы, которую нельзя реанимировать уже после нескольких минут кислородного голодания и травмы которого крайне тяжело отражаются на состоянии организма.

В «Википедии» информация - это сообщение, но это не есть определение, а буквальный перевод с латинского языка. В теории информации информацию вводят как математическую функцию, зависящую от вероятностей событий до и после получения информации, не связывая ее с более базовыми понятиями, к которым можно отнести энергию или материю, пространство, время, массу. Можно привести много примеров того, что информация появляется в косной материи до живых систем и может быть независима от живых систем. Понятие информация более базовое, чем понятие жизнь.

Нам кажется, что необходимо попытаться ввести новые определения информации и жизни, поскольку рассмотренные в ранее опубликованных обзорах определения не всегда отвечают современным задачам [1,2,5,11], к которым можно отнести необходимость конструктивности определений и связь определения жизни с основными базовыми понятиями - материя, энергия, пространство, время, масса. Существующие определения и экспликации информации и жизни во многом носят мировоззренческий характер. Материализм, по нашему мнению, характеризует индивидуальные особенности восприятия мира субъектом, и нет оснований считать его единственно верным. Но, по нашему мнению, материализм позволяет построить более адекватные модели и сделать более конструктивные выводы, чем остальные течения, такие, как идеализм, дуализм или религиозные подходы. Если представители названных течений предложат конструктивные определения, позволяющие сделать адекватные прогнозы, то подобные подходы можно только приветствовать.

Информация и энергия. Исходя из достаточно адекватного приближения к реальности в виде материалистического монизма, согласно которому в мире нет ничего, кроме энергии, информация должна иметь связь с энергией. Нередко единую материю разделяют на вещество (материю) и энергию (энергия кинетическая, полей, химических связей и т.д.). Согласно уравнению Эйнштейна - E=mc² - энергия и материя едины [9]. Использование терминов материя или энергия, на наш взгляд, принципиального значения не имеет и отражает малосущественные лингвистические предпочтения автора. На эту тему можно спорить, но я объясняю свою точку зрения и буду ее придерживаться. Сторонники идеалистического монизма либо дуализма или иных течений могут иметь другие точки зрения, и было бы интересно узнать об их построениях связей между энергией и информацией.

Можно поставить вопрос, - в какой форме связаны понятия энергии и информации в принятом приближении? Давно подмечено Сциллардом и Хартли, развито Кастлером и Бриллюэном (равенство ХСБ) формальное сходство между формулой Больцмана для энтропии S=klnW (1) и формулой Шеннона для количества информации I=log₂ P₂ /P₁ (2). Где S - энтропия, k - постоянная Больцмана, W - термодинамическая вероятность, I - количество информации, P₂ и P₁ - вероятности наступления события после получения информации и до получения информации [цит. по 1,5]. Других соотношений, связывающих информацию и энергию, мне не известно. Могу ошибаться.

Энтропия по Больцману введена для идеального газа - системы абсолютно упругих шарообразных (бесконечно симметричных) незаряженных частиц, взаимодействующих только при соударении в отсутствии внешних полей и при условии сохранения механической энергии поступательного движения. Без переходов в другие формы и по другим степеням свободы (колебательное и вращательное движения атомов). Объем атомов не учитывают, что справедливо только для достаточно разряженных газов [9]. В какой мере такая предельно идеальная модель максимально простой системы способна к обобщению?

Некоторые теоретики согласны со Сциллардом. Делают весьма спорное предположение о том, что klnW=Qlog₂ P₂ /P₁ (3) c точностью до размерного множителя Q и производят на этом основании расчеты энергетического эквивалента (энергетической стоимости) информации для молекул, надмолекулярных структур и даже человека [1,11]. Не все согласны с этими допущениями, но детальная критика такого подхода отсутствует. Обзор мнений на эту тему приведен Волькенштейном [5].

Известно, что размерность постоянной Больцмана k в системе СИ - джоуль / градус К. Физический смысл температуры - средняя по времени и по пространству кинетическая энергия движения атомов идеального газа. Отсюда следует, что постоянная Больцмана k и энтропия S - величины безразмерные [9]. Энтропию не измеряют, а вычисляют, эталон энтропии отсутствует. Аналогично и количество информации по Шеннону [9]. Насколько конструктивно приравнивать две безразмерные величины с точностью до некого множителя, величину которого невозможно оценить независимыми способами и рассчитывать энергетическую стоимость (эквивалент) информации?

Применяя равенство (3) были произведены расчеты и получены интуитивно парадоксальные для некоторых выводы о том, что энергетическая стоимость информации, заключенной в человеке, не превышает таковой в куске горной породы того же веса [1]. Не все согласны с этими расчетами и выводами, но детальная критика подхода расчетов энергетического эквивалента информации на основании равенства ХСБ отсутствует.

Можно добавить, что в естествознании много логарифмических зависимостей. В какой мере справедливо их все приравнивать между собой и делать выводы, противоречащие здравому смыслу и обыденному опыту, которые не всегда противоречат научному мышлению?

Рассмотрим равенство (3) более подробно. Теоретиками подразумевается [1,11], что коэффициент Q в равенстве (3) порядка единицы, что нужно доказывать, а не постулировать, но доказательства нет. А численное значение коэффициента может очень сильно отличаться от единицы, как, например, универсальная гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения Ньютона. Один этот факт ставит под сильное сомнение справедливость равенства ХСБ (3), не смотря на их авторитет. Экспериментальный путь оценки коэффициента Q отсутствует, поскольку материального эталона энтропии нет, эту величину вычисляют. Такие же соображения касаются и формулы Шеннона для количества информации и невозможности экспериментального определения количества информации.

Предпосылки для расчетов, сделанные на основании равенства (3), тоже имеют ряд слабых мест. Рассмотрим подробнее рассуждения некоторых теоретиков, сделанные на основании указанного равенства.

Некоторые теоретики рассчитывают энергетический эквивалент информации, необходимый для синтеза аминокислот и нуклеотидов, подразумевая, что достаточно смешать химические элементы. Другие авторы начинают с уровня молекул, подразумевая, что мономеры уже есть. Теоретик всегда делает какие-либо упрощения, но в какой мере они оправданы? Человека моделируют небольшим количеством белка и нуклеиновых кислот. Не разделяют РНК и ДНК. Пренебрегают их разнообразием по молекулярным весам, первичной и высшим структурам, важностью этих структур и многочисленные биологические функции. Примерно 7 кг белка и около 150 г. нуклеиновых кислот [1].

В этом приближении [1] совсем не учтены липиды и минеральные компоненты. Но липиды входят в состав мембран, образуя высокоупорядоченые структуры стенок соматических клеток, а так же образуют сложные структуры в нервной и мозговой тканях. Даже в соматических клетках липиды не только входят в состав стенок, но и образуют ряд внутриклеточных органелл, таких, как ядро, аппарат Гольджи и т.д. А в составе клеточных стенок мембраны содержат многочисленные белки-пермеазы, рецепторы, антигены и т.д., специфичные для каждой ткани. В составе клеточных стенок и нервной ткани мембраны лежат в основе разнообразных рецепторов, очень сложно организованных по составу и пространственно [2,5]. По массе липиды могут составлять до 30% массы тела. До сих пор никому не удавалось синтезировать в лабораторных условиях даже фрагмент эукариотической клеточной стенки с функциями активного транспорта или какого-нибудь рецептора.

Минеральные компоненты образуют высокоупорядоченный скелет, содержащий разнообразные по функциям клетки [2,5]. До сих пор ни кому не удалось вырастить в пробирке даже самый малый фрагмент костной ткани. Отсутствуют даже теоретические подходы к возможному решению этой проблемы. А синтез костной ткани - актуальная задача, решение которой востребовано в трансплантологии. Минеральные компоненты могут достигать 20% массы тела человека. Пренебрежение названными компонентами и их биохимическими функциями, по нашему мнению, - слишком сильное упрощение, даже без глубокого критического рассмотрения сомнительной справедливости равенства ХСБ (3) на физико-математическом уровне.

Рассмотрим более подробно синтез нуклеиновых кислот. По мысли теоретиков [11] достаточно взять мономеры и смешать их, без указания условий (растворитель, концентрации реагентов, катализаторы, рН, температура, время синтеза, прочие добавки). Но так синтез сложных соединений проходит только на бумаге. Тем более без учета энергии активации, которая необратимо рассеивается после образования химической связи, со 100% выходом, без возможности образования побочных продуктов, без указания количества стадий синтеза. Так ни одна сложная реакция не проходит. В нашей биосфере спонтанный абиогеннный синтез нуклеиновых кислот не пойдет, а в какой пойдет - нам не известно.

Для синтеза даже небольших фрагментов ДНК квалифицированному экспериментатору необходимо из биосферы выделить дезоксинуклеозидтрифосфаты, что достаточно энергоемко, либо приобрести их, что тоже не дешево. Потом необходимо создать условия синтеза, т.к. просто в водном растворе (каком?) либо при смешивании сухих компонентов реакция не пойдет. Для твердофазного нематричного синтеза нуклеиновых кислот необходимо надлежащее оборудование и чистые реактивы, которые тоже что-то стоят энергетически, т.к. в биосфере присутствуют в качестве продуктов деятельности человека. При этом синтез нужной (какой?) последовательности необходимо контролировать энергетически дорогостоящими средствами. Полученные олигонуклеотиды желательно сшивать в полимеры более высокого молекулярного веса, что на данном этапе сильно ограничено величиной молекулярного веса. Для синтеза очень больших фрагментов ДНК просто ни кем не реализовано [5]. Тем не менее, молекулярный вес фрагментов ДНК - решающий фактор для биологической активности (передаче информации), что показано при трансформации бактерий - процесс передачи некоторых признаков через введение в бактериальные клетки чистой ДНК. На этом явлении держится вся генная инженерия, значительная часть биотехнологии.

Ферментативный синтез нуклеиновых кислот нуждается в матрице - затравке и ферментах, и не решает проблемы спонтанного синтеза даже короткого олигонуклеотида. Синтез мономеров биогенных макромолекул - совсем не спонтанный процесс и тоже много от чего зависит, в том числе и энергетически [5].

По предположениям теоретиков [1,11], синтез надмолекулярных структур малоэнергоемок, но на данном этапе еще никому не удавалось синтезировать, или реконструировать даже самую маленькую хромосому, как нуклеопротеиновый комплекс. Что говорить о клетках эукариотического организма, тканях и органах. А такая технология выращивания органов и тканей вне организма востребована в трансплантологии и возможная продукция имеет немалую рыночную стоимость. Условия самоорганизации клеток из макромолекул тоже неизвестны и отсутствуют даже фантастические гипотезы на эту тему. Подобные рассуждения можно привести и для синтеза мономеров нуклеиновых кислот, аминокислот, белков, липидов, скелета, органов и тканей. Таким образом, вопрос об энергетическом эквиваленте информации остается открытым. Других соотношений, связывающих энергию и информацию, мне неизвестно.

Следует отметить, что формула Шеннона (2) введена для расчетов количества информации, без определения понятия информации как таковой. Шеннон с самого начала оговаривал, что его формула применима только для расчетов, связанных с передачей телеграмм [цит. по 3].

В разнообразной литературе многочисленные авторы достаточно адекватно описывают процессы, связанные с информацией, употребляя термины - информацию скачали, что есть каналы распространения информации, и эти слова не вызывают непонимания. Естественно предположить, что информация - всегда поток некой энергии. В приближении применимости материалистического монизма к адекватному моделированию реальности, согласно которому в мире нет ничего, кроме энергии, можно предложить следующее определение.

Можно определить информацию, как поток энергии, который производит в системе обратимые изменения [12,13].

Это отвечает повседневному опыту - информацию можно создать, стереть, или потерять, для сохранения информации нужны энергозатраты. Поскольку энергия может переноситься как полями, так и конденсированным веществом (материей), то переносчиками информации могут быть любые материальные объекты - поля, частицы, атомы, молекулы, более массивные носители.

Можно ввести определение неинформации как потока энергии, который не вызывает в системе регистрируемых изменений. Поток неинформации может быть нескольких типов - первого типа - попадает в систему, но слишком слаб, чтобы вызвать изменения, второго типа - проходит мимо системы, третьего типа - внешний наблюдатель не регистрирует изменений в приемнике в силу слабости приборов, либо понятий. Не исключено расширение классификации количества потоков неинформации. Любой прибор или рецептор имеет порог чувствительности и от понятия неинформации не уйти.

Обобщая обыденный опыт, можно заметить, что информации нет самой по себе, она существует только при наличии какого-либо приемника, системы, способной к обратимым изменениям. Информация не подчиняется законам сохранения. Нет абсолютной, безусловной информации, она всегда зависит в первую очередь от приемника, хотя может исходить из косной материи. Термин «информация» - это предельно сокращенное наименование потока низкой энергии, обратимо изменяющего метастабильную систему-приемник за конечное время рецепции, восприятия. «Поток информации» более адекватно описывает это непростое явление природы. Процесс передачи информации всегда занимает некоторое время, и другое время требуется для ее усвоения, обработки.

Простейший приемник - атом водорода. Поглощая квант электромагнитного поля определенной энергии, атом может перейти из основного состояния в одно из возбужденных, либо из возбужденного состояния с меньшей энергией в большее. При этом увеличиваются размеры атома, изменяется форма [9]. В метастабильном состоянии возбужденный атом может находиться некоторое время, в том числе и достаточно продолжительное. Если атом находится в разряженной газовой фазе и при низких температурах, в условиях низкой частоты соударений с другими частицами и квантами. Процесс, далекий от равновесия и хоть и быстрый, но зависящий от времени. В принципе не подчиняющийся законам равновесной термодинамики [9]. Увеличение сложности приемника только усложняет описание процессов рецепции, переработки и хранения информации.

В атоме водорода электрон не переходит на другой уровень, не изменяет своего состояния под действием квантов низких энергий, но способен перейти из возбужденного состояния в основное при столкновении с другим атомом или квантом небольшой энергии. При этом возбужденный атом водорода может испустить некий квант и перейдет в основное состояние или в какое-либо менее возбужденное, с меньшей энергией. При поглощении кванта энергии атом водорода уменьшает симметрию и увеличивается в размерах [9].

Любой приемник характеризуется чувствительностью - минимальная интенсивность потока энергии, переводящая приемник из одного метастабильного состояния в другое, избирательностью - количеством отличий в структуре потоков энергии, которые вызывают различные изменения в приемнике, а также коэффициентом усиления сигнала. В этом отношении атом водорода имеет максимальную чувствительность и избирательность, но коэффициент усиления в лучшем случае - единица, когда атом отдает сигнал той же интенсивности, что и получает, но может быть и меньше. Живые системы имеют высокую чувствительность, нередко приближающуюся к предельно возможной. Так человеческий глаз реагирует на единичные кванты излучения, ряд насекомых реагируют на единичные молекулы феромонов. Коэффициент усиления в живых системах очень велик. Например, одно слово может привести в действие целые армии с громадными энергетическими ресурсами вплоть до ядерной войны.

Метастабильное состояние системы - термодинамически неустойчивое и не выгодное, но способное сохраняться некоторое время, состояние неустойчивого равновесия. У системы может быть несколько метастабильных состояний, между которыми возможны переходы под действием внешних потоков энергии или спонтанно. В метастабильном состоянии могут находиться атомные ядра, атомы и молекулы [4,9]. Метастабильное состояние системы может быть весьма продолжительным и достаточно устойчивым - стекла это переохлажденные жидкости, темодинамически менее выгодные состояния, чем кристаллическая форма, но кристаллизация при обычных условиях может идти тысячелетия, как происходит с обычными стеклами, что наблюдают на стеклянных предметах, сделанных в античные времена.

Обратимые изменения - достаточно условное и относительное понятие, но полностью необратимых изменений сделать в системе нельзя, любую систему можно разрушить как структуру. Текст, написанный нестираемыми чернилами можно сжечь, надпись на камне или металле выбить. Тем не менее, информацию можно стереть, затратив небольшую энергию и вернув систему практически в исходное состояние, в большинстве случаев (вакцинация может быть необратимой или весьма продолжительной под действием очень малых количеств антигена, некоторые яды действуют быстро и практически необратимо в очень низких количествах).

Информация всегда связана с неким материальным носителем, некой энергией (материей), но это иная энергия, отличающаяся от энергетического эквивалента информации, подхода по присвоению информации стоимости. Есть как минимум два аспекта энергии, связанной с информацией - энергия, как носитель информации (внутреннее свойство, объективное качество) и энергия, как стоимость информации (внешнее качество, субъективный аспект, имеющий различные значения для множества приемников и наблюдателей, зависящий от времени восприятия, параметров приемника и состояния окружающей среды).

Понятия ценность, качество и пр. можно ввести в каждом конкретном случае на основании индивидуальных субъективных понятий и ощущений, при этом не обязательно вводить какие-то строгие определения, можно водить аксиоматически, постулировать, эксплицировать по аналогии, либо работать на интуитивном уровне. Главное - возможность адекватного моделирования и получения конструктивных прогнозов.

Для атома водорода нет смысла говорить о ценности информации и вводить такое понятие. В косной материи нет понятий «смысл» и «польза», это субъективные индивидуальные качества живых систем, которые способны не только хранить информацию, но самостоятельно активно обрабатывать ее и целенаправленно использовать для реализации поведения как тактического, так и стратегического, в первую очередь связанного с поддержанием активной структуры, с выживанием.

Исходя из изложенного, можно утверждать, что безразмерное равенство ХСБ (3) с неизвестным значением численного коэффициента Q не моделирует ни одного реального процесса, не несет физического смысла и представляет собой лишь формальное алгебраическое соотношение. Введенный выше в уравнение (3) коэффициент Q [1,3,11] невозможно оценить независимыми опытами, поскольку энтропия и информация - не объективно существующие и измеряемые природные качества материи, а косвенно вычисляемые безразмерные субъективные по своей природе величины [4,9]. Равенство ХСБ основано на применении понятий равновесной термодинамики. Названный подход с применением усредненных по времени величин, основанных на модели идеального газа, в принципе неприменим к неравновесным процессам с участием сильно несимметричных макромолекул. Указанные процессы связаны в том числе с передачей и обработкой информационных потоков, как потоков небольших энергий в метастабильных гетерогенных системах с достаточно сильными взаимодействиями между некоторыми подсистемами, явно и сильно зависящих от времени.

Выше отмечено, что потоки информации как потоки небольших энергий не сильно изменяют систему-приемник (свойства приемника), а только обратимо переводят ее из одного метастабильного состояния в другое. Именно обратимость, неравновесность и сильная зависимость от времени есть существенные и отличительные моменты процессов, связанных с потоками информации, в отличие от потоков больших энергий. Большие энергии - превышающие энергию связи хотя бы некоторых подсистем системы-приемника. Большие энергии способны производить необратимые изменения в приемнике вплоть до разрушения по крайней мере некоторых подсистем приемника. Необратимые изменения в приемнике могут иметь последствиями потерю некоторых качеств (свойств) - деградация. Но могут быть и пути развития, совершенствования старых качеств или появление совершенно новых. Вплоть до ранее не существовавших в природе новых свойств системы, к которым можно отнести процессы и явления самоорганизации (усложнения), основу процессов эволюции, развития. Качественное изменение системы под действием сильного потока энергии, процессы создания информации. Это могут быть появление новых рецепторов либо совершенствования старых, повышение чувствительности, точности, избирательности, расширения спектра распознаваемой информации.

Статической информации в природе нет, это очень значительная идеализация, работающая только на простых задачах и ограниченная в смысле обобщения. Формула Шеннона не содержит времени, и можно назвать такую модель статической. Процессы, связанные с информационными потоками, всегда зависят от времени, пренебречь которым можно только в нулевом приближении для узкого круга задач (скалярное приближение или приближение вектором невысокой размерности). Прогнозы, полученные из таких моделей, весьма локальны. Кто может привести хотя бы один пример абсолютной и неуничтожимой информации? Либо информации, которая существует сама по себе, независимо от энергии и от любого материального носителя? Существует ли информация, которую возможно передать мгновенно?

Согласно предложенному выше определению информации [12,13], согласующемуся с повседневным опытом, оценить энергетическую стоимость (энергетический эквивалент) информации невозможно, поскольку даже для получения незначительной информации можно затратить колоссальную энергию. Согласно бытовым наблюдениям несведущего человека, незначительная сегодня информация может приобрести большое значение после хранения и получения дополнительной информации, при минимальных энергозатратах на хранение и дополнительную обработку. Научное рассмотрение этой проблемы принципиально от бытового не отличается.

Можно сказать, что информация - некий аналог идеальной жидкости, ведь не зря об информации нередко говорят, что ее скачали, что она передается (распространяется) по некому каналу. Поэтому термодинамический подход ХСБ, с применением формул без учета времени в явном виде, усредненных по времени и с безразмерными величинами, имеет дополнительные ограничения по области применения. Слаб в отношении обобщения и не применим при моделировании сложных гетерогенных неустойчивых, метастабильных систем, далеких от термодинамического равновесия, основанных на процессах с памятью, сильно зависящих от времени и от предъистории.

Как замечено Блюменфельдом, биологические системы термодинамически невыгодны, но кинетически заторможены в неравновесном состоянии. По мнению Блюменфельда биофизика - часть биологии, которая описывается современной физикой. Но он не исключает, что для более глубокого описания придется вводить новые мировые постоянные, типа постоянной Планка для ведения квантово-механических расчетов, либо универсальной гравитационной постоянной для решения задач классического всемирного тяготения Ньютона [1]. Не исключено, что это в первую очередь будут процессы, связанные с информационными потоками. Это не смотря на то, что информация не подчиняется законам сохранения. Информация может появиться спонтанно, ее можно активно и сознательно создать и уничтожить, неконтролируемо потерять. Ценность (в том числе и энергетическая) ее для преемника и внешних наблюдателей - разные аспекты - и меняется со временем и в пространстве по разным механизмам, как следует из обыденного опыта субъекта и многочисленных научных экспериментов.

Таким образом, связь между энергией и информацией по нашему мнению, можно считать установленной, но, на наш взгляд, постановка вопроса об энергетическом эквиваленте или энергетической стоимости информации неправомерна. Из обыденного опыта известно, насколько могут разниться энергозатраты для получения одной и той же информации для разных субъектов, и как может разниться количество информации в одном и том же сообщении для разных приемников. Например, даже на уровне общеобразовательной школы и учеников некого класса. Ценности информационного потока для приемника и внешних наблюдателей могут быть несоизмеримы и лежать на всем интервале от минус бесконечности до плюс бесконечности, меняясь со временем и в пространстве неконтролируемым ни приемником, ни внешними наблюдателями образом.

Ряд сложных задач биологии и других наук при необходимости учета их информационных свойств даже не формализованы. Нередко отсутствуют сами подходы к формализации неформально поставленных задач. Могут отсутствовать даже понятия. Для решения подобных задач приходится прибегать к экспертным оценкам, другим субъективным и неоднозначным методам, которые дают плохие решения там, где другие методы не дают никаких.

Неприменимость равенства ХСБ (3) к живым системам хорошо видна на уровне молекул и микроорганизмов, как наиболее простых из свободно живущих живых систем. Например, наличие лактозы в питательной среде включает лактозный оперон кишечной палочки и синтез трех новых белков при отсутствии в среде глюкозы и наличии других приемлемых условий (температура, кислотность и т.д.). Лактоза ничего не производит в дизентерийных палочках, поскольку у них подобный фрагмент ДНК отсутствует или дефектен, не активен, не смотря на их близкое родство. При этом кишечная палочка и дизентерийная палочка имеют очень высокую степень гомологии ДНК и их разносят в разные рода лишь по историческим причинам [5,8]. Одно и то же вещество для одного приемника может выступать как условная информация или неинформация в зависимости от состояния окружающей среды, либо безусловная неинформация для другого приемника, незначительно отличающегося от первого. Лактозный оперон кишечной палочки можно инактивировать, введя замену (или перестановку в другое, даже очень близкое место) единственной нуклеотидной пары в ДНК с помощью индуцированного мутагенеза, либо отобрать спонтанный мутант. Есть мутации типа инверсии - некий фрагмент ДНК просто перевернут, либо эффект положения - в ином соседстве - и свойства мутантов будут иные, чем у исходного прототипа [3,5]. Названные факты демонстрируют сильную неустойчивость биологического приемника в отношении восприятия информации в зависимости от внутренней структуры образующих его подсистем. Неустойчивость в ряде случаев связана не изменениями тотального химического состава, а с изменениями пространственного расположения небольших групп атомов или изменением молекулярного веса макромолекул. Так, молекулярный вес одного нуклеотида около 300 дальтон и содержит он несколько десятков атомов, различия между разными нуклеотидами лежат в различиях по составу и могут отличаться на несколько атомов [3,5], но гораздо большие различия между биогенными молекулами лежат в различном пространственном расположении одних и тех же химических элементов. По аналогии с квантовой механикой можно сказать в этом случае, что тензор информации (как некий оператор, см. выше) не коммутирует, зависит от последовательности рассмотрения (учета, написания) его компонент в тензорном уравнении.

Многие углеводы отличаются друг от друга только пространственным расположением атомов, а не химическим (элементарным) составом. Имеют различное физиологическое значение, вплоть до противоположного. Вместо компонента пищи может получиться яд, либо балласт, что достаточно часто. Оптические изомеры углеводов и аминокислот значительно отличаются по физиологической активности и пищевой ценности [3,5] при полной идентичности по составу образующих химических элементов. Глюкоза токсична для диабетиков, но фруктоза - пространственный изомер - при том же составе элементов не отравляет больной организм. Многие L-аминокислоты на вкус сладковаты, d- изомеры безвкусны и усваиваются только некоторыми микробами. [3,5].

Многие животные получают основную информацию через запах, химические молекулы. Половой процесс тоже сопровождается передачей молекул определенного химического состава, причем основная информационная нагрузка приходится на первичную, вторичную структуры и молекулярный вес нуклеиновых кислот, а не на элементарный состав [3,10]. Описано много физиологически активных соединений, как токсичных, так и стимулирующих, которые очень сильно влияют на состояние организма в ничтожно малых количествах, близких к единичным молекулам на организм - феромоны насекомых, гормоны высших животных, некоторые лекарства, отравляющие вещества, вакцины [3,5].

Но даже химический состав однородной системы не является термодинамическим параметром для описания системы. Термодинамика очень ограниченно использует данные о химическом составе моделируемой системы введением химического потенциала. Химический потенциал исследователи вводят для описания химически однородных гомогенных систем. Химический потенциал не учитывает (не моделирует) сложных по составу элементов системы, неоднородных, многокомпонентных и многофазных, тем более, таких, которые могут содержать метастабильные подсистемы и внутренние резервы энергии, системы, способной спонтанно переходить из одной метастабильной формы в другую, либо сильно изменять свойства под действием слабых потоков энергии, потоков информации.

Например, ряд химических соединений, которые используют в качестве инициирующих взрывчатых веществ или зажигательных смесей, топлива или пищи. Тем более, внутренне нестабильных систем, подобно радиоактивным элементам или сильно восстановленным молекулам, способным к спонтанным перестройкам структуры и к спонтанному распаду с выделением энергии, в принципе не контролируемому внешним наблюдателем. Такие изменения полностью меняют свойства нестабильной системы и неконтролируемым образом приводят к появлению новых структур и новых свойств системы по реакциям на внешние воздействия. Фактически, к спонтанному, неконтролируемому внешним наблюдателем, образованию новых систем.

Необходимость учета вторичной структуры, пространственного расположения атомов и молекулярного веса нуклеиновых кислот и других биогенных молекул для адекватного моделирования живых систем уводит исследователей далеко за границы применимости равновесной термодинамики. Это дополнительно свидетельствует против слишком широкого применения термодинамических принципов к моделированию биологических процессов. Термодинамика работает в нулевом приближении при описании живых систем и, тем более, при разработке конструктивных прогнозов, которые не будут противоречить новым экспериментам. Какие контраргументы можно привести для этих примеров?

По нашему мнению, неправомерность расчетов энергетического эквивалента информации на основании равенства ХСБ по многим критериям можно считать доказанной. Противники отсутствия доказательства этого должны привести весомые аргументы в пользу справедливости обобщения равенства ХСБ на системы, далекие от термодинамического равновесия и к тому же, открытые. Но открытые системы с учетом их информационных характеристик на современном этапе в принципе не моделируют, ни в понятиях классической термодинамики, ни в понятиях неравновесной термодинамики Пригожина - Онсагера.

Определение жизни. Многочисленные определения жизни с учетом разных аспектов, а так же их критика, отражены в обзоре Чернавского [11] и в «Википедии». Дополнительная критика некоторых приведена выше. Можно выделить, как сильно отличающееся от остальных, определение Блюменфельда, согласно которому, живыми называются самовоспроизводящиеся системы, способные к созданию информации, прямо или косвенно влияющей на их самовоспроизведение [1]. Можно расширить и конкретизировать это определение по некоторым параметрам.

Развивая предложенный подход материалистического монизма, можно определить жизнь как многосубстратную и многопродуктную каталитическую систему, преобразующую входящие потоки энергии и информации и способную использовать названные потоки для поддержания каталитической структуры, создания информации, а также имеющих качество некоторое время сохранять каталитическую структуру в отсутствии потоков энергии [13].

На уровне любой живой системы можно привести ряд конкретных примеров о том, что большую часть времени существования любая живая система потребляет энергию и информацию из окружающей среды, либо покоится. Ряд живых систем не могут размножаться по причинам наличия генетических дефектов, приобретенных травм, либо неблагоприятных условий жизни (плохое питание, отсутствие партнера и т.д.). Живая система любого уровня рождается. Некоторое время имеет шанс развиваться. Может и преждевременно умереть, или погибнуть, не всегда достигает возраста возможности размножения, получает шанс вступить в воспроизводство, который реализуется с разной эффективностью, или не реализуется вообще. Потом стареет, теряя имевшуюся не у всех возможность к размножению, и отмирает или погибает с различной, строго индивидуальной скоростью. Размножение - необязательный, кратковременный эпизод в жизни [3,5], частный метод решения проблемы поддержания [3,5,13].

Немало людей считают основным качеством жизни размножение. Но как классифицировать детей до полового созревания? Кем являются старики? Как определить людей во время производственной деятельности и на отдыхе? Как определить армию? Людей в местах лишения свободы? Как определить животных на откорме? Как определить стерилизованных животных и не цветущие растения (в особенности многие комнатные, родом из тропиков)? Как классифицировать отцветшие растения после освобождения спор и семян? Куда отнести многолетние растения в зимний период? Животных во время зимней спячки? Сколько времени в жизни любой живой системы занимает процесс размножения как таковой? Даже растения в период выброса семян производят только покоящуюся форму. Известно, что в сухих районах семена могут десятилетиями ждать своего часа. Семена культурных растений тоже годами могут находиться в покоящейся стадии. И до посева не известна их всхожесть. Размножение и рождение есть и в неживой природе - эффект рождения электрон-позитронных пар из гамма-квантов [9].

Можно отметить, что жизнь имеет определяющий аспект как качественно иная форма существования материи, отличающаяся от косной материи. Жизнеспособность в виде понятия отражает возможность количественно охарактеризовать конкретную живую систему в конкретной обстановке (пространственные ограничения) и на ограниченном интервале времени. Различия между существом (живым) и веществом (косным, мертвым) - качественные различия. Пример - биосфера в целом - живая, но не размножается как целое, только на уровне организмов, популяций и биоценозов. Количественный аспект в том, что можно утверждать, что те организмы, которые способны размножаться, более жизнеспособны, чем те, которые размножаться не могут. Более жизнеспособны те, кто дольше живет и могут жить в условиях, непригодных для остальных. Пример - пчелиная семья. Пчелиная матка более жизнеспособна, чем рабочие пчелы, в принципе (генетически) не способные к размножению, рабочие пчелы более жизнеспособны, чем трутни, из которых только малая часть, единичные особи, реализует способность к размножению, оплодотворяя матку, немало генетически дефектных особей, не способных к оплодотворению. Сам акт оплодотворения кратковременен. Как характеризовать трутней и прочих самцов до и после акта? Каждый ли половой контакт приводит к зачатию? Все ли оплодотворенные клетки достигают уровня завершенного развития зародыша? Как классифицировать зародыш от момента оплодотворения и до момента полового созревания? Тем более на самой ранней стадии многоклеточного организма, до дифференцировки на органы и ткани? Трутни не способны даже питаться вне улья и живут очень ограниченное время, несколько недель. Неоплодотворенная матка менее жизнеспособна, чем оплодотворенная, но тем не менее - живая некоторое время. Матка большого улья более жизнеспособна, чем матка маленького. Пчелиная семья более жизнеспособна, чем шмелиная, состоящая всего из нескольких особей. И это не единичные примеры только на уровне насекомых (муравьи, термиты, иные коллективные виды насекомых) [3,5]. Можно попытаться ввести некий организм как единицу жизнеспособности, как для отдельного вида, так и на более высоких уровнях биологической организации. Для этого нужно выбрать некий эталон, ввести способ сравнения.

На интуитивном уровне можно отметить, что человеческое общество - наиболее жизнеспособная единица биосферы, поскольку имеет максимально широкий ареал обитания и пищевую базу (множество субстратов), но и наиболее неустойчивая, зависящая от биосферы в целом. Попытки заключить небольшой коллектив в относительно небольшое замкнутое пространство с неким оборудованием и другими живыми системами (проекты Биосфера 1,2) не привели к возможности длительного автономного существования при подаче в систему только световой энергии и отводе только избытков тепла.

Только люди способны создавать принципиально новую информацию, первоначально зафиксированную в орудиях труда, впоследствии - не имеющую прямого отношения к производству и хранящуюся на неких носителях. Только у людей молодежь проходит длительный период обучения и изучения истории до самостоятельной жизни. Без обучения самостоятельная жизнь человека невозможна. Это подтверждается находками детей, которые первые годы жизни росли среди животных («Маугли») - они не могли вернуться к полноценной жизни среди людей, не могли даже научиться толком говорить.

Способность системы использовать потоки информации для поддержания активной каталитической структуры является радикальным отличием живой системы от косной материи, поскольку только живые системы способны обрабатывать и использовать с пользой для себя слабые потоки энергии, которые в принципе не могут служить пищей или структурным вспомогательным элементом, для поддержания активной каталитической структуры. Понятие «польза» появляется только с появлением живых систем и не применимо к косной материи.

По замечаниям Руденко [7], простые каталитические системы (платина, металлы переходной группы и т.д.) способны некоторое время использовать часть значительной энергии, освобождающейся в ходе каталитического акта, для саморазработки (повышения) собственной каталитической активности (для эволюции, развития). Со временем все простые катализаторы теряют активность [4,7]. Простые катализаторы не способны использовать слабые потоки энергии. Простые катализаторы не способны хранить и обрабатывать информацию, не способны принимать решения. Метастабильные состояния простых каталитических систем весьма кратковременны [4,7].

Для простых каталитических систем можно выделить потоки отрицательной информации - наличия небольших количеств веществ, отравляющих катализатор. Простые каталитические системы работают в очень узком диапазоне физико-химических условий и чувствительны к наличию небольших количеств посторонних соединений, снижающих или полностью подавляющих каталитическую активность, отравляющих катализатор обратимо или необратимо (каталитические яды). В случае обратимого отравления простые каталитические системы неспособны самостоятельно проводить собственную репарацию возникшего снижения или потери каталитической активности [4,7].

Но именно наличие таких явлений, как репарация, регенерация, самовосстановление небольших и средних повреждений, весьма характерно для всех известных живых систем [2,5]. Причем понятие среднее повреждение достаточно условно, а люди научились репарировать весьма тяжелые повреждения субъекта при довольно небольшом по энергиям вмешательстве. Лечение конкретного субъекта даже для специалиста, прежде всего информационно емко и проблемно. Пока некий метод или лекарство дойдет до клиники, необходимо затратить очень большую энергию на поиск, исследования, разработку и внедрение. И для адекватного лечения сложных случаев необходима не только специальная подготовка, но и особые, до конца непонятные свойства лечащего врача. Далеко не каждый выпускник мединститута становится медицинским светилом, независимо от образования и опыта работы. Процесс постановки диагноза не автоматизируем и не алгоритмизируем, и на эту тему нет даже гипотез о возможном механизме принятия решения, особенно что касается клинически сложных случаев. Можно заметить, что усложнение живых систем (эволюция, развитие) идет преимущественно по пути совершенствования использования потоков информации и по пути создания информации. Это необходимо в первую очередь для поддержания каталитической активности и совершенствования путей репарации после получения разрушающих воздействий из окружающей среды или за счет спонтанного нарушения внутренней структуры [2,5]. Прямое следствие того, что живые системы изначально термодинамически невыгодны, неравновесные и внутренне неустойчивы [1]. И только во вторую очередь совершенствуются пути преобразования энергии как источника пищи и вспомогательных структурных элементов.

Только человек способен для восстановления собственной активной каталитической структуры (здоровья и работоспособности) использовать не только собственные внутренние возможности и внешние резервы энергии, но и немалые возможности косной материи и общества, в пределе - опыт и энергию всей цивилизации, что дополнительно свидетельствует в пользу высказывания о том, что человек - вершина эволюции. Простейший пример - человек зимой согревается возле костра, используя древесину для поддержания рабочего состояния, но древесина не может служить пищей, тем более - каменный уголь или нефть, уран.

Хранение больших энергий вызывает снижение каталитической активности живых систем, как и всех каталитических, по механизму ингибирования конечным продуктом. Хранение потоков информации не обладает таким отрицательным свойством, поскольку информация связана со слабыми потоками энергии. Слабые потоки энергии, потоки информации в ряде случаев представляют ценность для узкого круга потенциальных пользователей, среди которых может и не быть явных конкурентов. Ценность информации всегда условна, определяется приемником-пользователем. Только некоторые информационные потоки могут представлять интерес для достаточно широкого круга потенциальных пользователей.