Пути изменчивости и эволюции живых систем

Система-первооткрыватель получает временное преимущество для жизнедеятельности, располагая уникальной информацией. Но в таком случае информация может вести себя как некая идеальная сверхтекучая жидкость, которую практически невозможно удержать в условиях монопольного пользования ограниченным контингентом первооткрывателей ото всех живых систем. Невозможность длительного контроля узким кругом пользователей за важными информационными потоками, влияющими на жизнеспособность многих, повышает устойчивость к разрушающим воздействиям большого количества живых систем. Резервы информации, повышающие жизнеспособность значительного количества живых систем, могут проявлять квантовые свойства в макромире, проникая через высокие потенциальные барьеры по механизму туннельного перехода квантовых объектов. Неконтролируемым образом утекая от первоначально монопольного источника-владельца.

Предлагаемое определение жизни не связано с химическим составом живой системы и может быть применено для решения вопроса живая - неживая система для форм жизни на не белок-нуклеиновой основе. Приведенное выше определение жизни конструктивно и содержит в себе алгоритм решения вопроса живая - неживая система.

На первом шаге необходимо выделить изучаемую систему, как ограниченный в пространстве и времени материальный объект наблюдения. На втором шаге выделяем некое множество возможных регистрируемых внешним наблюдателем реакций системы. На следующем шаге выбираем множество регистрируемых и управляемых исследователем потоков энергии. Переходим от пассивного наблюдения к активным экспериментам и воздействуем на систему потоками энергии различной структуры и интенсивности. Следующим шагом классифицируем изменения в системе и входящих потоков энергии (наличие продуктов реакций, возможность фиксации части входящей энергии внутри наблюдаемой системы). Согласно полученной классификации можно обработать результаты экспериментов, установить причинно - следственные связи между явлениями и сделать вывод - живая - неживая система.

Отличить покоящуюся живую систему от мертвой или косной материи согласно предложенному определению невозможно. Жизнь проявляется только в процессе взаимодействия с окружающей средой, каталитического преобразования входящих потоков энергии, возможной фиксации части энергии внутри системы и необходимого образования продуктов внутренних реакций по преобразованию энергии. Большая часть продуктов реакций неизбежно поступает в окружающую среду. Так, к.п.д. млекопитающих по механической работе около 25%. Пчелы расходуют почти 50% собранного меда на его доставку к улью. В целом к.п.д. пчелиной семьи по сбору меда не превышает нескольких%. В названных случаях достаточно ограничиться термодинамическим приближением, согласно которому любой живой организм - тепловая машина. Для машины необходим нагреватель (поток энергии из окружающей среды, в большинстве случаев в виде энергии химических связей для нашей формы жизни) и холодильник во внешней среде (пространство для размещения продуктов жизнедеятельности, отвода тепла после химических и ядерных реакций). Справедлив так же термодинамический принцип Карно, согласно которому чем больше разница температур между нагревателем и холодильником, тем выше к.п.д. системы. Из физиологии известно, что к.п.д. по механической работе у теплокровных животных выше, чем у холоднокровных. Шире ареал распространения в биосфере [2,5].

Рассматривая ту же пчелиную семью и в качестве продуктов - пчелиное маточное молочко, никакого к.п.д. ввести нельзя, поскольку это продукт синтеза исключительно рабочих пчел и он уникален, возникает в результате непонятной в деталях процесса переработки непростого растительного сырья - пыльцы, и термодинамика на этом уровне бессильна. При всей мощи науки, ни один человек не в состоянии провести самостоятельно синтез пчелиного молочка без участия пчел. Происходит синтез принципиально новых веществ и создание совершенно новой информации в общем-то на первый взгляд и согласно существующей классификации, такими низкоорганизованными живыми системами, как пчелы. Подобных примеров можно привести много, когда человек вынужден пользоваться продуктами жизнедеятельности других живых систем, пусть это будет даже навоз, который для многих земледельцев имеет немалую рыночную стоимость и незаменимые потребительские свойства.

Живая система любого уровня сложности, прежде всего, производит обработку информационных потоков, а уже потом энергетических. Живая система всегда стоит перед необходимостью принятия решения в условиях неопределенности с ограничениями на время принятия решения и стоимость выработки решения. Условия неопределенности - принципиальная нехватка информации для принятия решения, которую никогда нельзя устранить.

Стратегически, рассматривая достаточно большие промежутки времени, любая живая система ограничена информационно и энергетически. Любая живая система - ограниченная в пространстве и времени совокупность метастабильных подсистем. Такая совокупность может реагировать только на конечное количество потоков информации и располагает ограниченными резервами энергии. Следовательно, в принципе не способна полностью отображать реальность и может только в той или иной мере адекватно моделировать бесконечный мир. Согласованное взаимодействие даже двух живых систем приводит к более полному отображению реальности, построению более адекватных моделей и, в конечном счете, к повышению жизнеспособности всех членов консорциума. Энергетические возможности дуэта не являются простой суммой индивидуально доступных энергий, важна и их пространственная локализация. Квалифицированный электрик сделает гораздо больше, когда мальчик будет подавать инструмент. Хирург только простейшие операции делает полностью самостоятельно и эффективность работы хирурга постоянно повышается за счет привлечения все большего количества разнообразных специалистов. Тем не менее, немало случаев, когда медицина бессильна. Пока бессильна….

Живая система находится под воздействием разнообразных потоков энергии из окружающей среды. Входящие потоки энергии можно разделить на потоки субстратов, информации и потоки, разрушающие систему. Для любого живого организма необходимо постоянно противостоять внешним разрушающим потокам и природной внутренней нестабильности живой системы. Это прямое следствие того, что любой живой организм есть сложная совокупность атомов, далекая от термодинамического равновесия, изначально находящаяся в неравновесном, термодинамически невыгодном неустойчивом, метастабильном состоянии.

Все живые системы всегда ограничены, прежде всего, информационно. С энергией для поддержания жизни особых проблем нет, есть ограничения информационного характера - как, почем и где взять энергию. В первую очередь - проблемы себестоимости энергии, а во вторую - проблема источника, тоже в значительной мере информационная, а не принципиальная, ограниченная объективными законами природы. Даже на уровне простого, пассивного собирательства и охоты ряд живых организмов обеспечивают себя избыточно произведенным продуктом (ИПП). Например, многие грызуны запасают за относительно небольшое летне-осеннее время больше, чем потребляют за достаточно продолжительный непродуктивный зимне-весенний период, учитывая энергетическую непродуктивность ранней весны и поздней осени. Медведь обеспечивает себя внутренними запасами энергии во время продуктивного периода пассивного собирательства и охоты на достаточно продолжительный период пассивной жизни и это не единичные случаи из общей биологии [2,5]. Многие бактерии способны запасать часть энергии как внутри клетки (полифосфаты), так и вне нее (полисахариды) [2,5,8]. Но с информацией ограничения носят принципиальный характер объективных законов природы. На любом этапе развития живых систем и в перспективе - ограничения информационного характера будут всегда перед системой любого уровня сложности с произвольными, какими угодно большими, резервами энергии и информации. Переход от охоты и пассивного собирательства даров природы (присваивающей экономики) к активному производству (земледелие, животноводство, промышленность) только увеличивает количество ИПП на уровне человеческой популяции.

С энергией основной вопрос - себестоимость получения, вопрос информационный. С информацией затруднения принципиального характера, поскольку могут отсутствовать сами понятия о неких природных явлениях. Тем более что для информации нельзя вести понятие стоимость, присвоить энергетический эквивалент по принципиальным причинам.

Радикальное отличие резервов информации от резервов энергии - они не обладают свойством влиять на сокращение каталитической активности по механизму ингибирования конечным продуктом, как в простых каталитических системах. Потоки информации всегда изменяют любую систему только обратимо. Второе свойство резервов информации - невозможность дать энергетический эквивалент (присвоить стоимость). Третье свойство - необходимость значительных, вообще говоря, не ограниченных, энергетических затрат на получение информации. Четвертое свойство - относительная простота хранения, по ходу которого ценность информации может значительно возрастать при минимальных энергетических затратах на поддержание информационных потоков, практически без их дополнительной специальной обработки (переосмысление). Обработка информационных потоков не сопряжена с большими энергозатратами, но имеет внутренние ограничения, связанные с переработкой - кодирование, классификация, архивирование. И ряд процессов требуют плохо механизируемого высококвалифицированного ручного труда - анализ данных, реферирование литературы, написание аналитических обзоров, выработка адекватных моделей, разработка конструктивных прогнозов.

Хранение большой энергии, сравнимой с энергией связи внутри системы или превышающие ее, всегда связано с риском, поскольку сухари могут заплесневеть, либо их могут съесть мыши, их могут украсть. Концентрированная энергия имеет внутреннее свойство нестабильности во времени по принципам термодинамики - система стремится к равновесию. Концентрированная большая энергия в некой системе способна спонтанно уменьшаться. Адиабатная оболочка - всего лишь локальная идеализированная модель для узкого круга задач. Концентрированная энергия всегда спонтанно уменьшается с течением времени. И чем выше концентрация энергии, тем выше нестабильность по тем же термодинамическим принципам.

Хранение информации во многих случаях приводит к увеличению ее стоимости, тем более, если информация касается решения задач выживания, репарации и противостояния разрушающим воздействиям. Поскольку информация связана с малыми энергиями, то и внутренняя нестабильность во времени ее хранения невелика по тем же термодинамическим соображениям. Для малых энергий можно реализовать практически адиабатные условия хранения на продолжительное время при небольших затратах энергии.

Отрицательная информация не представляет большого вреда для широких слоев потенциальных пользователей, достаточно ограничить доступ к ней и обеспечить возможную репарацию. Значительная часть информации имеет ценность для конкретного организма либо живой системы и не представляет интереса для других. Информация сильно несимметрична, ее ценность может быть близкой к 0 для источника и стремится к бесконечности для приемника. Хранение этой информации сильно упрощается, т.к. нет конкурентов. Но именно к такому классу принадлежит информация об индивидуально ориентированном функциональном рационе конкретного субъекта, разработанного с учетом наследственности, выполняемой работы и имеющихся заболеваний. Наличие резервов информации, ценной для узкого круга потребителей, практически индивидуальной направленности и возможность использовать эти резервы для поддержания и восстановления поврежденной каталитической структуры радикально отличает живые системы от косной материи и более организованную, совершенную живую систему от менее организованной.

Какую ценность для окружающих представляет рецепт на очки для некого конкретного субъекта или результаты его анализов? Примерно также обстоит дело и с составом индивидуально ориентированного рациона функционально питания, но обойдется потребителю гораздо дороже. При этом разработка такой рецептуры потребует вовлечения значительного количества квалифицированных специалистов, и такой рацион не будет окончательным, изменяясь с возрастом и характером деятельности субъекта. Для реализации такого рациона нужна развитая промышленность, поскольку природные источники пищи для современного человека не могут дать ряд необходимых веществ в нужных количествах. Но для конкретного пользователя ценность такой информации ограничений не имеет, поскольку как минимум приведет к поддержанию работоспособности, как максимум - к продлению его активной жизни.

Некоторые следствия из введенных определений. Любая живая система имеет память и цели, влияющие на процессы принятия решения. Цели могут быть локальными, тактическими и стратегическими. В любом случае их объединяет одно - выжить в данный момент времени - тактика, и жить как можно дольше и лучше - стратегия.

Предлагаемое определение жизни не связано с химическим составом живой системы и может быть применено для решения вопроса живая - неживая система для форм жизни на не белок - нуклеиновой основе. Примером может быть рассмотрение компьютера. С одной стороны, компьютер преобразует энергию и информацию и сохраняет свою структуру в выключенном состоянии, способен самостоятельно производить внутренние самопроверки и принимать решение - работать дальше, или нет. Но компьютер не способен самостоятельно включаться и выключаться (принимать решение на основании обработанных потоков информации), а также производить собственный ремонт даже на уровне программного обеспечения и восстановления поврежденных файлов, неспособен и размножаться.

Тем не менее, компьютерный вирус является живым, поскольку способен только за счет внутренней структуры к поддержанию (кинетически заторможен в неравновесном состоянии) и за счет преобразования и использования внешних источников энергии способен к размножению. Жизнеспособность компьютерного вируса (КВ) крайне мала. Известно, что КВ, пока (на долго ли?) не имеет внутренних возможностей чтобы приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды. КВ не способен мутировать (менять наследственную и наследуемую информацию) ни спонтанно, ни индуцировано, неспособен к репарации, неспособен к рекомбинационным процессам. Компьютерный вирус тоже, как и белок - нуклеиновые живые системы, термодинамически невыгоден, но кинетически заторможен, как любые термодинамически невыгодные структуры элементов памяти. Кинетическая заторможенность термодинамически невыгодных систем приводит к тому, что такая система некоторое время может сохранять свою структуру без преобразования входящих потоков энергии, оставаться в метастабильном состоянии. Но рано или поздно, наступит момент времени и система получит повреждения спонтанно, без внешних воздействий, либо под действием таких малых энергий, которые внешний наблюдатель не в состоянии зарегистрировать в силу не только ничтожно малой энергии, но и в силу возможной кратковременности такого воздействия, либо отсутствия понятий как таковых. Компьютерный вирус поддерживается и размножается за счет неживых машин. По аналогии с вирусом на белок - нуклеиновой основе можно предположить, что таким качеством могли обладать первые вирусы, как простейшие живые организмы, далее сошедшие с арены эволюционного процесса, как не способные приспособиться к изменившимся условиям, прежде всего к переходу с источников пищи на уровне абиогенной органики в форму живых клеток. Не исключено, что абиогенные источники пищи первовирусов просто были съедены, и первовирусам пришлось или переходить на живые организмы, приспосабливаться к новым условиям, либо отмереть от голода или быть съеденными.

Вирус, однажды возникший (или созданный) с неизбежными затратами немалых энергий, способен к сохранению активной структуры в определенных условиях, и для его уничтожения необходимо затратить энергию. Но к активному самовосстановлению КВ пока не способен, в отличие от многих вирусов на белок - нуклеиновой основе, способных к самостоятельным репарационным процессам [2,5]. Несомненно, что КВ способен сохранять свою структуру в отсутствии входящих потоков энергии. Эффективно размножается при наличии таких потоков, чем радикально отличается от обычных программ и соответствует предложенному выше определению живой системы [13].

Из предлагаемого определения жизни можно построить путь нахождения жизни на не белок - нуклеиновой природе на том же Марсе. Для этого необходимо выделить потенциальные субстраты, источники энергии, потенциальные продукты и оценить скорости некаталитического преобразования субстратов в продукты. Тогда, зарегистрировав более быстрый путь преобразования энергии и фиксацию части выделившейся энергии в катализаторе, можно говорить о наличии жизни на иной основе. К тому же поиск на Марсе микроорганизмов с питательными потребностями Земных малопродуктивен, ведь даже из нашей почвы или из клинического материала высевается только часть микробов, которые исследователи микроскопируют [2,5,8]. Но именно такой подход был реализован в проекте «Викинг» и нет ничего удивительного в том, что однозначного ответа о жизни на Марсе получено не было.

Радикальное отличие живой системы от косной материи - способность к использованию информационных потоков, слабых по интенсивности энергий, не могущих быть источниками питания, либо структурными элементами, для поддержания активной каталитической структуры. Второе радикальное отличие - способность некоторое время сохранять активную структуру в отсутствии входящих потоков энергии.

Заключение. Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что жизнь в любых проявлениях - энергетически бесценное явление природы. Энергетический эквивалент биологической информации любой, даже простейшей живой системы настолько велик, что не поддается даже скромной оценке с точностью хотя бы до нескольких порядков.

Все живые системы способны к изменчивости, как за счет внутренней структуры, так и за счет окружающей седы. Не всегда сразу ясно, какие изменения хороши в ряду поколений. Но, усредняя со временем, с учетом естественного отбора, можно выделить путь регрессии, путь паразитизма и путь развития, эволюции - путь симбиоза и разделения труда.

Вопрос об эволюции весьма непростой, не все согласны даже с тем, что эволюция существует как таковая. Сложно втиснуть все разнообразие живых систем в некую иерархическую и, тем более, одномерную модель. Чаще говорят о древе эволюции и ее многочисленных ветвях. Обобщая, можно предположить, что эволюционный процесс многомерен, в большей степени напоминает многомерную сеть, и даже не трехмерное древо. Показан горизонтальный перенос генетической информации вирусам. Уже на уровне микроорганизмов крайне сложно сравнивать автотрофов, одни из которых получают энергию окисляя соединения серы, а другие - окисляя соединения железа и т.д.

Приведенное выше определение Блюменфельда о том, что жизнь - способность к созданию информации, можно положить в основу классификации живых систем. Так, микроорганизмы производят информацию только при акте деления и эта информация в большей степени копируется, вновь создают ее очень редкие в популяции мутанты и в очень малом количестве. Вновь созданная информация, касающаяся выживания в изменившихся условиях, передается в основном прямым потомкам и редко в популяции, еще реже между разными видами при помощи плазмид и фагов. У млекопитающих есть приобретенные рефлексы и обучение молодых животных. Но только человек активно создает новую информацию как в виде письменных источников, так и в виде новых орудий труда и прочих искусственно созданных предметов. Только у людей значительную часть жизни занимает образование и деятельность невозможна без знания истории. Легенда о Маугли, который вырос человеком среди животных не подтверждается историей. Дети, выросшие без контактов с себе подобными, не умеют говорить, с трудом этому учатся, и на всю жизнь сохраняют животные повадки. Для воспитания детей необходимы постоянные контакты со взрослыми и немалые усилия с их стороны, почему и существует непростая наука педагогика, учитывающая разнообразие наследственности детей при обучении. И не все, получившие педагогическое образование, становятся хорошими учителями и воспитателями. Эта область человеческой деятельности ближе к искусству, чем к науке.

Центральный путь эволюции всех живых систем - совершенствование путей поддержания и восстановления после нарушений активной каталитической структуры, во многом определяемое наличием резервов информации, не имеющей энергетического эквивалента. Эволюция человека еще не завершена и тоже, прежде всего, состоит в эволюции путей поддержания и восстановления после повреждения активной каталитической структуры. Для людей это приоритетное развитие здравоохранения в широком смысле - медицина, фармакология, экология. Предельное развитие такого пути - когда вся цивилизация мобилизует свои ресурсы для помощи одному человеку. Такой предел не достижим, но реальны многочисленные промежуточные варианты. И даже теоретический предел не имеет внутренних противоречий для любого варианта исхода такой мобилизации. В отличии предельного развития других отраслей человеческой цивилизации, будь то военная машина или автомобилестроение, развитие которых приводит к появлению внутренних неустранимых и неразрешимых противоречий задолго до достижения теоретического предела. Более того, ни одна из отраслей человеческой деятельности для своей активной работы не нуждается в активной работе всех остальных сфер деятельности, как здравоохранение в широком смысле. Это отражает глубинные основания существования всех живых систем как деятельность, направленную на поддержание активного состояния, согласно предложенному выше определению жизни, радикально отличающую ее от косной материи [13].

Военные организации прикрываются задачами защиты, но их цель - убийство. Военная промышленность разных стран внутренне нестабильна - производители танков разных стран спокойно идут на убийство конкурентов на рынке вооружения, работающих на другом континенте. В этом отношении у фармакологов гораздо меньше причин для противоречий и конфликтов. Какие могут быть противоречия между производителями витаминов и антибиотиков, даже если они - соседи? Даже в условиях нехватки ресурсов они вынуждены искать компромиссы, поскольку нуждаются в продукции потенциальных конкурентов. Иные методы решения внутренних конфликтов субъекта. Если у фармаколога возникают серьезные внутренние проблемы, когда не только жить не хочется, но и выть нет сил, он идет к друзьям и предлагает им испытать на себе сильно действующее лекарство с большим количеством противопоказаний и побочных действий. Так же поступает и с врагом. Для маленького слабого человека возникает проблема выбора - идти в комфортабельную палату экспериментальным организмом к гуманным и этичным исследователям или в казарму к генералу. А в армии сначала в учебном подразделении его зомбируют, превращая в лишенного инициативы робота, выполняющего любой приказ, а потом используют в качестве пушечного мяса. В случае гибели воина родственники получат некий символ в виде кусочка красиво оформленного металла. Инициатива в армии позволительна только высшим чинам и только в рамках устава и присяги. Отбор хороших военных приводит к интеллектуальной деградации общества. Пример - Спарта, которая не дала миру ни философов, ни поэтов, ни великих полководцев. И, в конечном счете, уступила лидерство Афинам, где не казнили физически слабых детей. А образованием Александра Македонского руководил Аристотель, представитель афинской философской школы, ученик Платона.

Обратная ситуация в здравоохранении - врач без инициативы не сможет поставить сложный диагноз, а фармаколог не сможет ни разработать нового лекарства, ни решать ежедневные проблемы производства. Идет отбор интеллектуальной элиты, общество в целом прогрессирует. Современный рынок лекарств даже по официальным расчетам гораздо выше рынка вооружений. И имеет значительные перспективы роста, в отличие от рынка оружия. У военных на первом месте - запланированное убийство, защита как побочный и не основной продукт деятельности. Прямо противоположные цели у врачей и фармакологов, у здравоохранения в целом. И в случае производственной травмы или гибели кормильца семья получит достойную материальную помощь и прочую поддержку.

Необходимо на всех уровнях защищать свободу воли индивидуума, права на материальную и интеллектуальную собственность. В основе развития - рациональное использование ИПП на благо всей биосфере.

Эволюция человека смещается из области морфологии и анатомии индивидуума в область совершенствования социальных структур, совершенствования общественных отношений, совершенствования генетики субъекта. Дальнейший переход от поддержания отдельных государств и организаций к поддержанию всей биосферы в целом.

Литература

биосфера изменчивость эволюция

1. Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики. М.: «Наука». ГРФМЛ. 1974. - 336 с.

2. Вилли К., Детье В., Биология. М.: «Мир», 1974. - 822 с.

3. Волькенштейн М.В. Общая биофизика. М.: «Наука», 1984. - 123 с.

4. Краткая химическая энциклопедия. М. «Советская энциклопедия». 1961. - Т.1. - 1262 с.

5. Реймерс Н.Ф., Популярный биологический словарь. М.: «Наука», 1991. - 537 с.

6. Романовский Ю.М., Степанова Н.В., Чернавский Д.С., Математическая биофизика. М.: «Наука». ГРФМ, 1984. - 304 с.

7. Руденко А.П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М.: МГУ, 1969. - 256 с.

8. Стейнер Р., Эдельберг Э., Ингрэм Дж. Мир Микробов. Т3. Москва. «Мир», 1979. - 486 с.

9. Физический энциклопедический словарь. М.: «Советская энциклопедия». Т.5. 1966. - 575 с.

10. Физический энциклопедический словарь. Т.1. - 664 с.

11. Чернавский Д.С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики. // Успехи физических наук. Т.170. - №2. - 34 с.

12. Шулюпин О.К. Тензорное представление информации. «Биотехнология». 1987. - №6, - т. 3.

13. Шулюпин О.К. Энергия, информация, жизнь. Сборник тезисов. 11 школа-конференция, 28 окт. - 3 нояб., 07 г. Пущино

Размещено на Allbest.ru