Физическая интерпретация биологических законов

Что может еще привнести физика возникающего в современные представления о живом? На основе каких физических моделей можно объяснить те или иные особенности живых организмов? Рассмотрим эти вопросы сначала в макроскопическом представлении. Прежде всего отметим, что мир живого необходимо представлять как целостную систему, мир растений и животных един и поэтому должны существовать общие законы развития живой природы. В то же время живая природа является неоднородной целостной системой, которой свойственна иерархическая организация.

Эту реальную иерархию живой природы классифицировал еще К. Линней и затем развил Дарвин. Причем само возникновение иерархии, завершившееся в живой природе видообразованием, определяется естественным отбором и наследственностью. Несмотря на статистический характер взаимодействия биологических объектов, в живой природе системы формируются не случайно, а в определенном порядке, который может быть описан с помощью системного анализа иерархии сложных систем. В этом смысле возникновение жизни — системный процесс. А обмен веществом, энергией и информацией является основным интегрирующим фактором, создающим и поддерживающим органическую целостность жизни. Один из главных признаков живого состоит в приспособлении (адаптации) организмов к внешней среде при взаимодействии с ней. Специфичными формами адаптации можно считать организацию жизни и ее эволюцию.

Имеются физические модели, рассматривающие живой организм как целостную макроскопическую квантовую систему. Тогда устойчивость живого (различие и устойчивость видов и отдельных особей) может быть объяснена на основе имеющихся принципов квантовой механики, в том числе — тождественности и дискретности.

Правила отбора позволяют превратить квазинепрерывный спектр переходов между уровнями в дискретный. Конечно, нельзя однозначно и «впрямую» переносить законы и положения квантовой механики микромира на макроскопические объекты живой природы. Однако методологически можно ожидать успеха, как это мы видели на примере космомикрофизики. Кроме того, хотелось бы, чтобы законы, объясняющие природу, были бы одинаковы для всех ее элементов. Квантово-механический подход к живому позволяет использовать для описания процессов в организме такие понятия, как «состояния» и «вектор развития» этих состояний, а также статистически построить базис пространства этих векторов.

Представление фазового пространства в нелинейной динамике также дает возможность анализировать процессы жизнедеятельности организма. В диссипативных структурах за порогом неравновесного фазового перехода в среде возникают когерентные взаимодействия. Используя нелинейные дифференциальные уравнения и понятия аттракторов, можно классифицировать возникающие структуры и описывать траектории движения вокруг особых точек. Поведение точек фазового пространства в таком случае будет определять развитие и изменение состояния системы. Поэтому эволюционный процесс математически может быть описан векторным полем в фазовом пространстве. Понимание странного аттрактора как особого состояния хаоса, из которого может возникнуть упорядоченная иерархическая структура живого организма, подтверждает борьбу организма за отрицательную энтропию.

Известно, что хаотическое состояние для замкнутых систем характеризуется возрастанием энтропии системы, которая зависит от фазового пространства, занимаемого системой. Поэтому, если траектории системы будут равномерно заполнять некоторый объем в этом пространстве, эффективный объем, занимаемый системой в случае странного аттрактора, будет существенно больше, чем в случае обычного. Поскольку обычный аттрактор связывается с порядком, то появление странного аттрактора означает увеличение фазового пространства и энтропии и тем самым переход к хаосу.

Следовательно, упорядоченное состояние живого организма обладает меньшей энтропией, чем окружающая неструктурированная хаотическая внешняя среда. Заметим также, что аттракторы определяют устойчивое состояние, и если система попадает в поле его притяжения, то она обязательно эволюционирует к этому устойчивому состоянию (структуре). Будущее состояние системы (среды) как бы «притягивает», организует, формирует, изменяет ее настоящее состояние. В этом смысле можно сказать: будущее влияет на настоящее! Странные аттракторы определяют границы неустойчивости, в рамках которых происходят флуктуации и бифуркации. Получается, что обычный аттрактор описывает устойчивое равновесие порядка, а странный — неустойчивое равновесие детерминированного хаоса.

Заметим, что всякое развитие сложной системы, выражающееся в появлении нового качества, возможно только при наличии в системе флуктуаций, склонных к разрастанию.

Сочетание синергетического и квантово-механического подходов позволяет в рамках модели физики живого рассматривать организм как диссипативную структуру, динамическая устойчивость которой определяется устойчивостью макроскопического квантового объекта. Для возникновения диссипативных структур, в которых устойчивы упорядоченные неравновесные состояния, требуется большое количество энергии. Обмен энергией с окружающей средой приводит к тому, что свободная энергия «забирается» из нее, а «обесцененная» (с положительной энтропией) отдается окружающей среде — рассеивается в ней (диссипатируется). Поэтому диссипативная структура живого организма обладает более дифференцированными и организованными уровнями упорядоченности, требующими для своей жизнедеятельности больше энергии, чем для поддержания функционирования простых структур. Энергия как бы «творит» более высокие уровни организации. Естественно, что дифференциация ведет к усложнению системы, пределом которого может быть достижение неравновесного состояния, характерного для живых организмов.

Действительно, из 111 химических элементов природы организм использует только 22, причем он состоит на 99% из легких элементов: Н2, O2, С и N2, соответственно 60, 25, 10 и 2%. Принцип оптимальной конструкции живого выступает здесь как частный случай всеобщих физических принципов оптимальности и наименьшего действия. Чем выше организация, тем эффективнее использует живой организм энергию, получаемую из внешней среды в процессе обмена веществом. Эффективность использования энергии проявляется как в необходимом поддержании и сохранении своей организации, так и в минимизации расхода энергии. Поэтому принцип минимума диссипации энергии мож- но рассматривать как частный случай общего принципа экономии энергии и минимума производства энтропии.

Согласно И.Р. Пригожину, если имеющиеся граничные условия мешают системе достичь термодинамического равновесия, а это означает нулевое производство энтропии, то такая система переходит в состояние с наименьшей диссипацией. Тем не менее любая работа, совершаемая живым организмом, при сохранении собственной внутренней энергии (если она будет уменьшаться, организм погибнет) должна компенсироваться притоком энергии извне. В целом наименьшая «трата» энергии, т.е. максимальная ее экономия, характерна для функционирования живых систем и свидетельствует об их высокой организации. Например, энергия, требуемая для функционирования клетки, составляет менее 10⁵ эВ, а энергия лазера, обеспечивающая его работу, — около 10¹² эВ. Для живых организмов энергетически выгодно сокращение поверхности организма, которая находится в контакте с внешней средой. У высокоорганизованных многоклеточных структур эта поверхность меньше. Таким образом, одними из главных факторов развития живого являются энергетический и организационный и их можно рассматривать во взаимном единстве.