Представление о сущности жизни в истории науки

Исторически сложились две противоположные точки зрения по вопросу о сущности жизни. По философским понятиям их можно оценить как материалистическую и идеалистическую. Первая признавала первичность материи в ее самых простых формах движения и обозначается историками науки как механицизм. Вторая исходила из первичности нематериальной силы - идеи, духа, жизненной силы (читай – Бога) и в биологическом контексте рассматривается как витализм.

Механицизм (от греч. mechane – орудие, сооружение) объяснял жизнь, исходя из обычных механических или физических форм движения и превращения материи. Сначала жизнь объяснялась на основе принципов классической ньютоновской механики. Ее каждый прош­лый и будущий шаг может быть просчитан. Рождение, жизнь и смерть так же циклично закономерны, как восход и заход солнца. Позже (XVII–XVIII века) жизнь рассматривалась уже как сумма физических и химических про­цессов, которые, однако, подобно машинным процессам, протекают на статич­ных, неизменных структурах. В этой трактовке отсутствовала идея разви­тия, эволюции. Механицизм как физикализм возник в конце XIX – начале XX веков и получил законченные формы к середине XX века. Согласно мнениям физикалистов, жизнь развивается, но по сути она представляет сумму простых физико-химических процессов. Причем сложнейшие биологические процессы сначала сводятся к более простым химическим, а химические, в свою очередь, сводятся к еще более простым – физическим (принцип сводимости). Ме­тод познания, основанный на принципе сводимости, или редукции, называется редукционизмом (от лат. reductio – отодвигание назад), так что физикализм в своем мето­до­логическом применении выступает как крайняя форма редукционизма. Для физикализма, как и для механицизма в целом, характерно отри­цание качественной специфики более сложных материальных образо­ваний, поскольку сложное сводится к более простым элементам, целое – к сумме его частей.

Приведем некоторые характерные высказывания видных ученых в духе физикализма.

Бертран Рассел, английский философ, математик, логик, писал в 1951 году: “Нет причины считать, что живая материя подчиняется иным законам, чем те, которые управляют неживой материей, и есть достаточные основания полагать, что все поведение живой материи удастся теоретически объяснить средствами физики и химии”. Таким образом, надо полагать, биология станет частью физики и химии.

Эрвин Шредингер, австрийский физик, квантовый механик, заявил в 1946 году, что “живая материя, хотя она и не отклоняется от установленных к настоящему времени физических законов, вероятно, подчиня­ется и другим, еще не открытым физическим законам, которые, когда они будут ясно показаны, составят такую же неотъемлемую часть фи­зики, как и первые”. То есть любые пока что не разгаданные формы проявления жизни рано или поздно будут объяснены как физические процессы.

Бурное развитие физики второй половины XX века, открытие новых элемен­тар­ных частиц и физических полей, успехи кибернетики и теории инфор­мации все более полно объясняют сложные материальные взаимодействия в природе, в том числе и в живых организмах, и все меньше тайн остается в понимании сложных биологических процессов. Но сама по себе физико-химическая интерпретация жизненных реакций не давала в прошлом и не дает сейчас ответа на вопрос: где кончается неживая природа и начинается живая? А что предлагали по этому поводу идейные противники механицистов – виталисты?

Витализм (от лат. vitalis – жизненный, живой) утверждает, что жи­вое не сводится только к физико-химическим явлениям, в нем действу­ют еще и особые “жизненные силы”.

Витализм – давняя концепция, его корни, как и корни механицизма, уходят в классическую древность. Великий древнегреческий философ Аристотель (IV век до н. э.) ввел понятие “энтелехия”, означающее конечную причину, цель, идею о совершенстве формы организма, кото­рая и управляет развитием. По определению Аристотеля, живой при­роде присуща “цель в самой себе”. В медицине XVIII века развивается виталистическая теория ани­миз­ма (от лат. anima – душа, дух), согласно которой главное для живо­го организма – его душа, она управляет телом и не допускает его распада.

В XIX веке состоялись выдающиеся открытия химии и физики, виталисты быстро теряли своих сторонников. Виталисты утверждали, что органические вещества могут возникать только с помощью “жиз­нен­ной силы”, но уже в 1828 г. Вёлер син­те­зировал искусственную мочевину. Знаменитый французский микробиолог Луи Пастер показал, что разложение сахара (брожение, дыхание) – особое свой­ство живых клеток, но в 1897 г. Бухнер получил из дрожжей фер­ментный экстракт и провел брожение сахаров в бесклеточной системе, то есть без всякой “жизненной силы”. Сильным ударом для вита­листов было доказательство того, что закон сохранения энергии действует как в неживом, так и в живом мире.

Однако идея энтелехии не была преодолена окончательно. В начале XX века система витализма наиболее полно была изложена Хансом Дри­шем, видным немецким биологом и философом. Опираясь на от­кры­тые им эмбриональные регуляции, Дриш утверждал, что разви­тие организма не сводится к реализации предустановленного, заранее спла­нированного экстенсивного (пространственного) разнообразия, как утверждали механицисты, но происходит переход интенсивного (непространственного) разнообразия в экстенсивное. Этот переход свой­ствен только живым системам и осуществляется, по мнению Дри­ша, под действием специфически витального фактора – энтелехии.

Заметим, что признание энтелехии, жизненной силы, часто ведет к антропоморфическим образам: учение о субстанциональной душе, психической силе. На этих понятиях основываются так называемый психовитализм (психизм), мистицизм. Поддержанию таких понятий способствуют большие и пока не разрешенные трудности в понимании механизмов работы мозга, векторов эмбрионального развития, направленного и “целесообразного” характера биологической эволю­ции. Положительное значение витализма состояло в критике примитивного механицизма, в стимулировании работ по биологической информации. Однако сам по себе витализм в конечном итоге ведет к признанию божественного начала жизни.

С развитием системного подхода и современного учения о самоорганизации (синергетики) причины специфической живой организации стали искать не в особых жизненных силах, а в самопроизвольно и эмерджентно возникающих новых свойствах доста­точно сложных систем (см. раздел 2.1). Специфика живого не отрицается, но она выво­дит­ся как естественное свойство наиболее сложно организованной материи, поглощающей внешнюю энергию. Некий пороговый уровень слож­ности материи и является той гранью, за которой (той причиной, по кото­рой) возникает новое качество – жизнь. В общефилософском смыс­ле можно говорить о переходе количественных изменений в качес­твенные. Понять эту качественную специфику жизни – наша дальнейшая зада­ча.

3.2. Обмен веществ и энергии – физико-химическая основа жизни

Живая материя имеет в основе те же физические свойства, что и неживая. В традиционном понимании материя представляет совокупность вещества и поля, которые выступают как разные виды материи. Вещество воспринимается как нечто дискретное, корпускулярное. На самом низшем уровне это элементарные частицы в составе атомов, на более высоких уровнях – молекулы, кристаллы и т.д. Поле представляется нам не вещественным, а волновым и более непрерывным. Известны гравитационное, электромагнитное поля и другие. Однако квантовая (волновая) механика в 20–30-е годы XX века показала, что эле­ментарные частицы вещества, например электроны, обладают одно­временно корпускулярными и волновыми свойствами (дуализм частицы и волны). Современная физика соглашается с тем, что между веществом и полем, так же как между дискретным и непрерывным, нет строгой границы. Согласно фундаментальному принципу дополнительности эти противоположности дополняют друг друга, так что существует сплошная материальная среда, некий континуум (лат. continuum – непрерывный, сплошной). Это и есть материя в синтетическом понимании. Таким образом, материя непрерывна, но ее проявления дискретны.

Заметим, что частицы материи взаимодействуют посредством квантов энергии (например, электромагнитные кванты – фотоны). Квантованная энергия способна совершать работу – переходы между веществом и полем. Преобразование вещества в поле освобождает энергию, и, наоборот, строительство нового вещества требует затрат энергии. Именно это мы и увидим, выясняя формы движения (преобразования) живой материи.

Любая материя существует в движении. В широком смысле под движением материи подразумевают ее постоянное изменение, преобразование вещества в поле и обратно. Для понимания основной формы движения живой материи сначала необходимо усвоить важ­нейшее исходное понятие – второй закон термодинамики. Он объясняет современную тенденцию Вселенской материи. Дело в том, что после Большого Взрыва и возникновения Вселенной, с галактиками, черными дырами и звездными системами, в природе сложилось и до сих пор существует фундаментальное неравновесие – неоднородность, асимметрия в распределении вещества, поля, энергии. Поэтому, как утверждает второй закон, в настоящее время все физические процессы (движение материи) самопроизвольно направлены к достижению равновесного состояния, к выравниванию неоднородностей. Этот закон удачно выражен афоризмом: “Природа не терпит пустоты”. Это означает, что материя из упорядоченного, структурированного (неравновесного) состояния, в котором имеются сгустки и разреженные участки, стремится к диффузному, хаотическому (равновесному) распределению в пространстве. В таком деградированном состоянии материя должна иметь минимальную свободную энергию, т.е. энергию, способную совершить работу, и, напротив, максимальную энтропию – рассеянную энергию, не способную к совершению работы. По классическому определению Р. Клаузиса (немецкий физик середины XIX века, основатель второго закона термодинамики), энтропия мира стремится к максимуму. Горячее тело рано или поздно остывает (энергия рассеивается); сжатые газы расширяются в свободное пространство; разряд молнии преобразует концентрированную электрическую энергию в рассеянную энергию света, тепла, радиоволн и звуковых колебаний.

Второй закон термодинамики справедлив и для живой материи, которая в основе подчиняется законам физи­ки. Живая материя, оставленная без внешнего воздействия, обречена на распад, она переходит в равновесное состояние с минимальной свободной энергией и максимальной энтропией. На рис. 3.1 эти процессы показаны в правой части схемы и означают смерть живой материи, ее превращение в неживую.

Рис. 3.1. Термодинамические процессы в живой материи

Однако живая материя, пока она действительно живая, остается неравновесной, структурированной, высокоупорядоченной. В ней поддерживается свободная, готовая совершить работу энергия, а энтропия минимальна. Такое состояние возможно благодаря открытости живых систем. Строительство живой материи и запасание свободной энергии происходит в результате поглощения простых веществ, притока активных форм внешней энер­гии и ее трансформации в энергию химических связей в ходе биосинтеза макромолекул. Химический синтез (от греч. synthesis – соединение, составление) – это образо­ва­ние сложного вещества из нескольких простых путем их соединения, происходящее при непременном поглощении внешней энергии. Таким образом, в процессе разнообразных биосин­тезов происходит концентрирование вещества и поля, т.е. повышение внутренней сво­бодной энергии живой материи. Энергия запасается во вновь создаваемых химических связях. Это и есть жизнь – противоположность смерти (левая часть схемы на рис. 3.1).

Как видно, в ходе жизнедеятельности и в процессе распада умирающей структуры большая часть поглощенной внешней материи – вещества и энергии – вновь рассеивается в пространство, но теперь в виде малоэффективных (высокоэнтропийных) форм. Органическое вещество распадается на малые молекулы и ионы. Концентрированная энергия химических связей преобразуется в рассеянное тепло, длинноволновое электромагнитное излучение (биопо­ле), механическую вибрацию. В термодинамике и синергетике такое рассеяние энергии обозначается как ее диссипация (лат. dissipatio – рассеивание), а сами системы, обладающие способностью к самоорганизации за счет диссипации внешней энергии, называются диссипативными системами.

Поскольку основной формой внешней энергии для поддержания жизни является солнечный свет, формулу жизни можно конкре­тизировать:

биосинтез продукт
Низкомолекулярное неорганическое (неживое) вещество	+	Электромагнитная энергия солнечного света	®	Высокомолекулярное органическое (живое) вещество

Изображенный процесс известен как фотосинтез. Ввиду огромной важности этой реакции мы вернемся к ней ниже в контексте с общим потоком веществ и энергии в живой клетке.

Таким образом, взаимодействие потоков простого вещества и энер­гии в ходе биосинтеза живого вещества и обратный процесс распада составляют вместе фундаментальное свойство жизни, основную форму движения живой материи. Вся совокупность этих реакций определяется как обмен веществ и энергии, или метаболизм (от греч. metabole – перемена).

Главное, что необходимо вынести из сказанного, это представление о динамичности организации живой материи. Живые тела, в отличие от неживых, существуют и воспроизводятся в потоке вещества и энергии. Каждый миг живой организм частично разрушается и воссоздается заново, сохраняя видимую неизменность. В этом залог успешного противостояния живой материи всемирному росту энтропии, противостояния второму закону термодинамики, что и отличает ее радикально от материи неживой.

Эта мысль присутствует в разнообразных определениях жизни с точки зрения физики:

жизнь – это специфическая форма движения материи (кругообо­рот материи, обмен веществ и энергии) с поддержанием упорядоченного неравновесного состояния (с высокой свободной энергией и низкой энтропией), существующая за счет поглощения, трансформации и диссипации внешней энергии;

жизнь – это поддержание высокой упорядоченности (низкой энтропии) в среде с меньшей упорядоченностью (высокой энтропией);

жизнь препятствует росту энтропии.