Введение
Заметим, что вопрос об определении жизни является далеко не простым. Многие авторы, например, определяют живое вещество как сложные молекулярные агрегаты - белковые тела, обладающие упорядоченным обменом веществ. В частности, такой точки зрения придерживается академик А.И. Опарин, много занимавшийся проблемой происхождения жизни на Земле.
Конечно, обмен веществ есть существеннейший атрибут жизни. однако вопрос о том, можно ли сводить сущность жизни прежде всего к обмену веществ, является спорным. Ведь и в мире неживого, например у некоторых растворов, наблюдается обмен веществ в его простейших формах.
Последние 20 лет ознаменовались замечательными успехами генетики. В значительной степени понятным стал удивительный механизм наследственности. Выявлена решающая роль нуклеиновых кислот, в особенности дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в передаче («кода» наследственных признаков от «родителей)» к «детям». Механизм передачи наследственных признаков оказался одинаковым как для самых низших форм живых существ, так и для высших. Весьма примечательным исключением пока является известный факт наличия у вируса мозаики табака и у некоторых других вирусов не двух, а только одной, более простой нуклеиновой кислоты - рибонуклеиновой кислоты (РНК). У этих вирусов РНК выполняет функции и ДНК, и РНК. Поразительное свойство тождественного воспроизводства» при помощи такого управляющего кибернетического устройства, как ДНК, - несомненно существенный атрибут жизни.
Вопрос об определении понятия «жизнь» стоит очень остро, когда мы обсуждаем возможность жизни на других планетных системах, что является главным предметом нашей книги. На это обстоятельство особенное внимание обращал академик А.Н. Колмогоров - выдающийся математик и крупнейший специалист по кибернетике. Он подчеркивал, что биологические науки до последнего времени занимались исследованием живых существ, населяющих Землю и имеющих общую историю возникновения и развития. Естественно, что понятие «жизнь» отождествлялось при этом с конкретным ее воплощением в конкретных условиях нашей планеты. Но в наш век астронавтики открывается принципиальная возможность обнаружить в Космосе такие формы движения материи, которые обладают практически всеми атрибутами живых, а может быть, даже мыслящих существ. Однако мы ничего не можем заранее сказать о конкретных проявлениях этих форм движения материи. Поэтому сейчас возникает настоятельная потребность дать такое определение понятия жизнь» которое не было бы связано с гипотезами о конкретных физических процессах, лежащих в ее основе. Следовательно, возникает потребность в чисто функциональном определении понятия «жизнь».
Эта задача далеко не простая, и вполне удовлетворительного функционального определения основного понятия жизни пока не существует. Однако первые, и притом, как нам представляется, достаточно успешные, шаги в этом направлении уже сделаны.
1. История развития представлений о живом в биологии
В XVII-XVIII вв. широкое распространение получил витализм (от лат. vitalis - жизненный), основоположником которого считают древнегреческого философа Аристотеля. Сторонники этого направления предполагали, что организмам присуща особая «жизненная сила», которая управляет всеми жизненными процессами. Как только она покидает тело, организм начинает разрушаться. Виталисты считали, что живые организмы состоят из органических веществ, которые невозможно получить искусственным путем, что к живым организмам неприменим закон сохранения энергии.
Однако эти утверждения были опровергнуты немецким химиком Ф. Велером, который в 1829 г. впервые синтезировал в лабораторных условиях органическое вещество - мочевину. В настоящее время искусственным путем получено свыше 100 000 органических веществ. К.А. Тимирязев (1863-1920), исследуя процесс фотосинтеза, доказал применимость закона сохранения энергии к живым организмам.
В XVIII в. был распространен механистический взгляд на природу, в соответствии с которым живые организмы рассматривались как особые механизмы, отличающиеся от созданных человеком только сложностью строения.
Ф. Энгельс рассматривал жизнь как особую форму движения материи. Единство живой и неживой природы обусловлено прежде всего тем, что в состав тел живой и неживой природы входят одни и те же химические элементы. Организмы существуют в единстве с окружающей средой, так как получают из нее все необходимые элементы и энергию в процессе обмена веществ.
Своеобразие живых организмов Энгельс видел именно в наличии в их составе белков и в обмене веществ с окружающей средой. Эти признаки живых организмов отражены в определении жизни, сформулированном Энгельсом: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».
С развитием науки определение живого уточнялось. Так, отечественный ученый М.В. Волькенштейн предложил следующее определение: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот».
Было установлено, что нуклеиновые кислоты, открытые позже белков, также входят в состав всех организмов и являются необходимым компонентом живого. Любой живой организм - открытая система, так как нуждается в поступлении пищи и энергии из окружающей среды и выделении продуктов жизнедеятельности. Живые организмы обладают саморегуляцией, то есть поддерживают постоянство своего химического состава, структуры, свойств. Все организмы размножаются, воспроизводят себе подобных, обладают раздражимостью.
2. Определение жизни с точки зрения теории информации
При изучении процессов, лежащих в основе жизнедеятельности всех организмов, от простейших до самых сложных, А.А. Ляпунов исходит из представлений кибернетики. Внимательный анализ показывает, что любое проявление жизни можно перевести на язык науки об управляющих процессах. Характерной особенностью управляющих процессов является то, что передача по определенным каналам небольших количеств энергии или вещества влечет за собой действия, заключающиеся в преобразовании значительно больших количеств энергии или вещества. Но кибернетика как раз и занимается изучением процессов управления и строением управляющих систем. Поэтому вполне естественно и даже необходимо при анализе процессов жизнедеятельности исходить из представления кибернетики.
Заметим еще, что такие биологические понятия, как наследственность, раздражимость и т.д., представляют собой не что иное, как конкретизацию таких общих кибернетических понятий, как накопление и хранение информации, управляющая система, обратная связь, канал связи и др.
А.А. Ляпунов считает, что управление, понимаемое в широком, кибернетическом смысле, является самым характерным свойством жизни безотносительно к ее конкретным формам. Тем самым он де лает попытку дать функциональное определение понятия «жизнь».
Согласно этой концепции, «живое вещество определяется следующим образом. Состояние всякого вещества описывается набором целого ряда физико-химических характеристик: массой, химическим составом, энергией, электрическими и магнитными свойства ми и др. Вообще говоря, эти характеристики будут с течением времени меняться. Вещества, у которых усредненные за подходящий интервал времени значения характеристик меняются мало по сравнению с другими веществами, обладающими примерно такими же значениями характеристик, Ляпунов называет «относительно устойчивым». Причиной устойчивости могут быть либо особенно благоприятные внешние условия (например, постоянная температура внешней среды), либо внутренние реакции вещества на внешние воздействия, направленные на сохранение его состояния. Реакции такого типа Ляпунов называет «сохраняющими». Именно последний тип устойчивости и лежит в основе жизнедеятельности всех организмов. В самом деле, для жизни характерна огромная «приспособляемость», «адаптация» к внешним условиям и их изменениям. В ряде случаев живые организмы активно преобразуют окружающую их среду, создавая подходящие условия для своей жизнедеятельности. Так, например, отдельные виды микроорганизмов могут «локально» повышать температуру окружающей их среды. Вся эта «адаптация» жизни достигается живой материей путем огромного количества сохраняющих реакций.
На языке кибернетики сохраняющие реакции можно описать так: вещество воспринимает информацию о внешних воздействиях в виде некоторых кодированных сигналов, перерабатывает ее и по определенным каналам связи посылает также в виде «сигналов» новую информацию. Последняя вызывает такую внутреннюю перестройку самого вещества, которая способствует сохранению его характеристик.
Устройство, в котором происходит переработка информации, может быть названо «управляющей системой». Эта система имеет дискретную природу и состоит из некоторого, вообще говоря, очень большого количества «входных» и «выходных» элементов, связанных «каналами связи», по которым могут передаваться сигналы. Система, служащая для хранения информации, называется «запоминающим устройством» или «памятью». Такая система может, например, состоять из отдельных элементов, каждый из которых будет находиться в одном из нескольких устойчивых состояний, причем состояния элементов меняются под действием поступающих сигналов. Когда некоторое количество таких элементов находится в каких-то определенных состояниях, можно говорить, что «информация записана в памяти». дело обстоит так, как будто бы информация записана в виде текста конечной длины при помощи алфавита с конечным числом знаков.
При выработке «ответов», обеспечивающих сохраняющие реакции тела на внешние воздействия, управляющая система воспринимает информацию об этих воздействиях, «расчленяет» ее на более мелкие части и «сопоставляет» с информацией, которая в ней уже «записана». В результате и в зависимости от такого сопоставления формируется «ответная Информация». Отсюда следует, что управляющая система будет тем более «гибкой», чем больше информации в ней записано, т.е. чем больше объем ее «памяти».
Важным свойством сохраняющих реакций является их быстрота. Последняя должна быть хорошо согласована со скоростью внешних воздействий на тело, которые, вообще говоря, могут меняться в довольно широких пределах. Это требует достаточно большого объема памяти в управляющей системе.
Ряд соображений, на которых мы здесь останавливаться не будем, приводит к требованию, чтобы размеры материальных носите лей информации были очень маленькими. С другой стороны, необходимо, чтобы хранение информации в памяти управляющей системы было надежным (иначе не будет обеспечена устойчивость тела). Эта означает требование высокой стабильности состояний элементов, из которых складывается память. Отсюда Ляпунов делает, на наш взгляд, совершенно правильный вывод, что устойчивыми материальными носителями информации могут быть отдельные молекулы, состоящие из достаточно большого количества атомов. Такие молекулы представляют собой квантованные системы. для изменения состояния подобной молекулы требуется, чтобы она поглотила достаточно большую порцию энергии (например, больше 0,1 эв). Поэтому, например, беспорядочные тепловые движения, энергия которых значительно меньше, не могут изменить состояния такой молекулы.
Ляпунов характеризует жизнь как «высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющях реакции информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул».
Чтобы сохраняющие реакции были возможны, необходимо, очевидно, чтобы организм обладал некоторым запасом энергии, при чем этот запас должен устойчиво сохраняться. С другой стороны, благодаря действию законов термодинамики во всякой замкнутой системе энергетические уровни (определяемые, например, темпер а турой) должны выравниваться. Следовательно, организм должен противодействовать термодинамическим процессам, что требует непрерывной затраты энергии. Таким образом, для устойчивого поддержания своего состояния всякий организм должен получать энергию извне.
Важной термодинамической характеристикой всякого тела является его энтропия. Если бы живое вещество представляло собой замкнутую (т.е. термодинамически изолированную) систему, в нем непрерывно увеличивалось бы содержание энтропии. Это повлекло бы за собой такое изменение его физических и химических характеристик, которое в конце концов прекратило бы всякую жизнедеятельность. Следовательно, живой организм должен систематически удалять накапливающуюся энтропию. Поэтому живое вещество должно непрерывно обмениваться с окружающей средой энергией и энтропией, что достигается при помощи обмена веществ. Сам обмен веществ регулируется управляющими системами специального назначения, использующими для этого запасы информации.
При таком понимании обмена веществ как способа поддержания жизнедеятельности организма становится довольно ясной несостоятельность старых представлений, фактически отождествляющих жизнь с обменом веществ. Такое отождествление, на наш взгляд, решительно ничего не дает для понимания сущности жизни.
Характернейшей особенностью живого вещества является то, что оно состоит из отдельных структурных единиц-организмов. Каждый такой организм как в информационном, так и в энергетическом смысле представляет собой в значительной степени обособленную единицу и вместе с тем имеет свою собственную структуру. Ляпунов связывает это с дискретной структурированностью управления. Под этим он понимает иерархическую систему подчинения управляющих систем. Функционирование систем более «высокого» уровня изменяет состояние или настраивает системы более «низкого уровня».
Расчленение живой материи на клетки, органы, организмы, популяции, виды и т.д. соответствует иерархии управляющих систем. Каждая из этих структурных единиц живой материи управляется своей «автономной» системой, «энергично воздействующей на все, что подчинено, и в свою очередь подчиняющейся медленно действующей управляющей системе высшей иерархической единицы».
Следует различать системы управления в отдельных организмах и в совокупности организмов (популяции, виды). В первом случае сложная управляющая система состоит из частей, в свою очередь являющихся управляющими системами «низшего яруса». Во втором случае мы имеем очень большое количество более или менее независимых, статистически равноправных систем, взаимодействующих при случайных встречах и коллективных действиях. Такой способ управления, называемый Ляпуновым статистическим», не является быстродействующим, в отличие от первого, «структурного» способа управления отдельными организмами. Как следствие развитых представлений получается, что «надорганизменные» образования (например, виды) значительно более устойчивы, чем отдельные организмы (которые более или менее быстро погибают). Но высокая устойчивость надорганизменных образований возможна лишь при условии появления новых организмов, приходящих на смену ста рым, т.е. при условии размножения.
Чтобы каждый возникший таким образом организм был устойчив, он должен иметь запас информации, для обеспечения сохраняющих реакций. Совершенно невероятно, чтобы этот запас информации возник в организме самопроизвольно. Новый организм должен получать необходимый для его жизнедеятельности запас информации, а также первоначальную управляющую систему, так сказать, в «готовом виде». Откуда? Только от других подобных организмов, являющихся его «родителями». Отсюда следует важнейший вывод: размножение живых организмов сопровождается «самовоспроизведением информации, передачей от «родителей» к «потомству».
В этом пункте кибернетический подход к проблеме жизни, развиваемый Ляпуновым, непосредственно смыкается с достижениями молекулярной генетики, выявившими определяющую роль ДНК в передаче наследственных признаков. Огромное многообразие комбинаций четырех оснований молекулы ДНИ и представляет собой тот запас информации, который передается от «родителей» к «потомкам».