Из кибернетики (и не только кибернетики) хорошо известно, что всякая передача информации происходит на фоне помех, частично ее искажающих. Не составляет исключения и передача наследственной информации. В этом случае искажения в передаче информации носят название «мутаций». Под влиянием таких «искажений при передаче» действие управляющей системы может измениться. Это повлечет за собой изменение сохраняющих реакций, что в свою очередь приведет к изменению характера взаимодействия организма с окружающей средой. Такие изменения могут радикально изменить как в ту, так и в другую сторону вероятность сохранения данного индивидуума в борьбе за существование. Последнее обстоятельство является движущей силой естественного отбора. Таким об разом, с точки зрения кибернетики можно самым общим образом и с единой точки зрения понять основные биологические категории наследственности, наследственной изменчивости и естественного отбора. В перспективе вырисовываются контуры стройной математической теории дарвиновской эволюции. Идеи Ляпунова, во нашему мнению, следует рассматривать как первый, многообещающий набросок этой теории.
Имеются все основания полагать, что в будущем синтез развитых кибернетических и био-физико-химических представлений при ведет к полному пониманию сущности жизни. Пока же мы от этого еще далеки, как это хорошо понимал и сам Ляпунов. Тем не менее для анализа проблемы происхождения жизни на Земле и вероятного многообразия проявлений ЖИЗНИ (в том числе и разумной) во Вселенной уже сейчас идеи Ляпунова, а также примыкающие к ним идеи Колмогорова (к обсуждению которых мы вернемся в конце этой книги) имеют большое значение.
3. Физическое определение жизни
Выделим среди множества возможных физических определений жизни подмножество экзотических определений жизни и дополнение к этому подмножеству которое назовем подмножеством нормальных определений жизни. По определению, физическое определение жизни является экзотическим, если при некотором каноническом преобразовании живое может стать мертвым или мертвое - живым. Подмножество нормальных определений живого не пусто. Например, если различение живого и мертвого производится по величине формальной (точной) энтропии S: S (P(t))=-SpP(t) lnP(t), то величина S не будет изменяться при унитарных преобразованиях матрицы плотности: S(P)=S(P'), изменение же этой величины со временем может быть индикатором изменения жизни.
Описание с помощью матрицы плотности возможно как для изолированных, так и для неизолированных систем - множество физических определений жизни, как экзотических так и нормальных, может вводиться во всех этих случаях. Однако, в изолированной системе изменение со временем матрицы плотности весьма не произвольно - это изменение по определению подчиняется уравнению idtP(t)=[P(t), H(t)]. (1).
Легко обосновать следующий тезис: При любых нормальных автономных определениях живого в изолированных системах живое не может стать со временем неживым, неживое - живым. В самом деле, если бы переход из неживого состояния в живое, или обратный переход, был бы обнаружим в указанном выше смысле, то, по свойству всех нормальных определений жизни, этот переход был бы обнаружим и при подстановке в эти определения преобразованной посредством любых унитарных преобразований полной матрицы плотности. Однако среди канонических преобразований существует преобразование, переводящее матрицу плотности в данный момент времени в матрицу плотности соответствующую начальному моменту времени. Тем самым все функции Bn(P) будут равны своим значениям в нулевой момент времени, и никогда не покажут наличие изменений - эти функции будут интегралами движения уравнения (1). Наличие множества интегралов движения у (1) было очевидно уже авторам этого уравнения, в 1929 году. Более того, аналоги указанных интегралов движения имелись и в доквантовой физике - в классической механике, в силу уравнения Лиувилля, сохраняются интегралы по фазовому пространству от любых функций, зависящих только от вероятности состояний системы. Именно эти дополнительные интегралы движения, а не сложность решения (1), препятствуют сведению биологии к фундаментальной физике, по крайней мере для некоторых определений живого.
Имеется еще ряд «парадоксальных» тезисов, родственных уже высказанному. Например, представим себе изолированную систему, в которой выделена некоторая подсистема. Для подсистемы имеется множество нормальных определений живого по матрице плотности p подсистемы {bn(p)}. Поскольку матрица плотности подсистемы является функцией матрицы плотности всей системы P, указанное множество принадлежит множеству всех определений живого для изолированной системы, и можно ставить вопрос, в какое из подмножеств определений живого для всей системы попадает множество {bn(p)}. Поскольку подсистема может быть неизолирована от остальных частей системы, уравнение (1) к описанию этой подсистемы может быть неприложимо, а потому при некоторых нормальных определениях живого bn переходы между живым и неживым будут возможны. Однако, очевидно, каждое такое нормальное определение будет для системы в целом экзотическим, для всех таких bn будет bn=Be. Попадание в класс экзотических определений на уровне всей системы следует уже из того, что переходы между живым и неживым для изолированной системы возможны, как было показано, только при экзотических определениях живого. Сама возможность такого непрямого соответствия классификаций на уровне подсистемы и системы в целом обусловлена тем, что при унитарных преобразованиях разбиение на подсистемы, вообще говоря, не сохраняется - несоответствие классов может иметь место и в случае когда система в целом не является изолированной.
Наряду с обсуждавшимися выше автономными, не зависящими явно от времени, могут рассматриваться и неавтономные, явно зависящие от времени, физические определения живого. Среди соответствующих функций матрицы плотности и времени вновь можно выделить подмножества соответствующие нормальным и экзотическим определениям живого. Примером нормального неавтономного определения живого может быть определение посредством функции от времени и энтропии: Bn=f (t, S). Для неавтономных нормальных определений живого утверждение о невозможности перехода между живым и неживым состояниями систем уже не имеет места. Однако, поскольку в силу (1) изменение матрицы плотности во времени само является каноническим преобразованием начальной матрицы плотности, и может быть устранено заведомо существующим для унитарных преобразований обратным каноническим преобразованием, в рамках указанного класса неавтономных нормальных определений живого для всякой изолированной системы будет иметь место соотношение Bn (t, P(t))=Bn (t, P(0)). То есть, будет возможно регистрировать, за счет подбора надлежащим образом изменяющегося со временем определения живого, динамику переходов между живым и неживым состоянием системы, а также регистрировать корреляцию указанных переходов с начальным квантовым состоянием системы, но говорить о сводимости динамики живого к уравнению (1) не будет оснований поскольку никакие изменения (1), допустимые в фундаментальной физике изолированных систем, в частности обращение правой части (1) в ноль, нисколько не изменят динамики живого при любых фиксированных неавтономных, но нормальных, определениях живого для изолированных систем. Независимость динамики живого от конкретного вида правой части уравнения (1) прямо проявляется для автономных определений живого - в форме невозможности переходов между живым и неживым состоянием изолированной системы при нормальных определениях живого, но имеет место и для любых неавтономных нормальных определений.
биология физический химический
Заключение
В полной мере определить понятие «жизнь» не только не просто, а практически невозможно.
Сейчас распространенным определением для понятия «жизнь» является химическая система, подчиняющаяся дарвиновским законам эволюции. Это достаточно точно, если считать, что теория эволюции Дарвина является основой всей жизни на Земле. Но при более тщательном рассмотрении даже это определение не всегда верно.
В недавно опубликованной работе «Происхождение жизни и эволюция биосферы» (Origins of Life and Evolution of the Biosphere) исследователи Кэрол Клеланд и Крис Чайба отмечают, что «мулы не способны размножаться и, следовательно, не подчиняются законам эволюции Дарвина». А физик Фримэн Дайсон утверждает, что на ранних этапах жизнь на Земле не развивалась путем точного воспроизведения. Другими словами, могли существовать организмы, у которых не происходила наследственная передача изменений, вызванная генетическими мутациями, и, следовательно, закон Дарвина для них не выполнялся. Но такие существа, если они когда-либо были, несомненно, являлись живыми.
Клеланд и Чайба полагают, что проблема определения жизни лежит в фундаментальных понятиях, характеризующих ее. Список свойств не подходит для существа, созданного природой. Как, например, можно описать воду: «влажная», «бесформенная», «безвкусная», «утоляющая жажду». Однако эти характеристики могут подойти не только для воды. Но ситуация радикально меняется, когда мы оперируем химическими терминами. В этом случае вода однозначно определяется формулой H2O. Похожая проблема возникает и с термином «жизнь». Возможно, на метауровне существует более глубокое понятие, которое мы пока не знаем, но когда-нибудь обязательно откроем.
Физик Пол Дейвис в своей книге «Пятое чудо» (Fifth Miracle) предположил, что ключ к пониманию жизни может лежать в совокупности ее информационного содержания (например, в гигабайтах кода расшифрованного ДНК). Как же химические и физические процессы создают эту информацию? Очень просто: дарвиновская эволюция создает новую информацию в наборе свойств клетки. Но как тогда возник первичный набор информации, необходимый для развития жизни? Ответа на этот и другие вопросы пока нет, и неизвестно, появятся ли они. Ясно лишь, что для исследования внеземных миров необходим более четкий базис для определения биологической жизни.
Литература
1.Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания - М., 2000
2.Концепции современного естествознания / Под ред. С.М. Самыгина - М., 1999
.ЛяпуновА.А. Об управляющих системах живой природы и общем понимании жизненных процессов М., 1962.
.Найдыш В.М. Концепции современного естествознания - М., 2003
.Шноль С.Э., Четверикова Е.П., Рыбина В.В. Молекулярная и клеточная биофизика, М., Наука, 1977
.Шноль С.Э.и др. Биофизика М., 1992