содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16 

ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОБЛЕМА САМООРГАНИЗАЦИИ. ПЕРЕДЕЛАТЬ

Второй этап химической эволюции – становление биохимиче-ской формы основной полноты содержания химической материи – существенно отличается от первого этапа своим результатом. Им вы-ступает надмолекулярная химическая система, которая, включая бел-ки, нуклеиновые кислоты, другие высокомолекулярные органические соединения, имеет динамический тип устойчивости, является от-крытой, неравновесной системой. Ее структура сохраняется не пото-му, что обладает минимумом потенциальной энергии и находится в энергетической «яме» (как, например, структура кристаллов), а за счет пронизывающего ее потока вещества и энергии, поддерживаемого большим числом организованных в «метаболический вихрь» химиче-ских реакций. Подобные структуры находятся вдали от термодинами-ческого равновесия и получили название диссипативных – рассеи-вающих энергию и требующих ее постоянного притока – структур. Метаболический вихрь можно понимать как эстафету переходных со-стояний, активированных комплексов, находящихся не в «ямах», а на разных участках разделяющих эти ямы энергетических барьеров. В таких комплексах заключена, по-видимому, большая часть массы органического вещества биохимической формы основной полноты, тогда как доля вещества, находящегося в дореакционном состоянии, сравнительно мала. В геохимической форме основной полноты это от-ношение имеет обратный характер. Если «в неживой природе пере-ходное состояние является моментом в системе существования, пере-мещения, транспортировки неподвижных химических продуктов, то в живой клетке такие застывшие вещества сами оказываются временно фиксированными моментами бытия связанной и упорядоченной цепи переходных состояний»1. Этому различию соответствует замечание Гегеля, что «химический процесс… вообще обременен разрывом.

<…> Если бы продукты химического процесса сами начинали дейст-вие, то они были бы жизнью»2. Закономерности формирования их «самодействующей» цепи – главная теоретическая проблема объясне-ния второго этапа химической эволюции. Ее центр смещен от «эле-ментарного химизма» образования и распада связей между атомами при установлении равновесия к «высшему химизму»3 неравновесной реакционной системы, внутренняя организация которой не только поддерживает ее неравновесное status quo, но и обеспечивает углуб-ление в неравновесную область. Какова эта организация? Как она воз-никает, по каким правилам изменяется и эволюционирует? Может ли она обходиться без белков и нуклеиновых кислот? Могут ли они воз-никать и эволюционировать не в ней? Необходимо или случайно они включаются в организацию такого типа?

Приступая к этим вопросам, нужно отметить, что факты, на ко-торых была основана идея биохимического предопределения, относи-лись к «элементарному химизму». Продукты магистрали, включая коацерваты и микросферы, являются сами по себе равновесными, а не открытыми системами, и надежду, что неравновесная биохимическая система могла образоваться при встрече готовых белков и нуклеино-вых кислот, пришлось оставить. Для этого они должны были бы иметь функционально соответствующие друг другу последовательности аминокислот и нуклеотидов. В последовательности нуклеотидов должна была быть закодирована последовательность аминокислот именно тех белков, которые обеспечивают как ее воспроизведение, так и снабжение всей системы энергией, удерживающее ее вдали от рав-новесия. Известно, однако, что сами по себе аминокислоты, хотя и об-наруживают тенденцию к полимеризации в соотношении, напоми-нающем их соотношение в настоящих белках, не «выстраиваются» при этом в специфические для каждого последовательности. Нуклео-тиды же, по-видимому, не имеют энергетических предпочтений в по-рядке их полимеризации, иначе нуклеиновые кислоты не служили бы информационными молекулами, кодирующими структуры любых белков, и ситуация напоминала бы алфавит, буквы которого сами – независимо от автора – составляются в немногие слова и предложе-ния. В равновесной области осмысленные в биохимическом отноше-нии последовательности аминокислот и нуклеотидов практически не отличаются от их бессмысленных сочетаний по прочности химиче-ских связей, высоте энергетического барьера, который преодолевается при их образовании, и т.п. В ней образование осмысленных последо-вательностей не имеет энергетических и энтропийных преимуществ перед образованием последовательностей бессмысленных и является в

этом отношении случайным событием. Поскольку подавляющее большинство формально возможных последовательностей бессмыс-ленно, вероятность образования осмысленных последовательностей стремится к нулю. Так, вероятность образования всего одной «биоло-гической» молекулы ДНК в результате случайной комбинации нук-леотидов за время существования Земли имеет величину около 10-800 4. Вероятность случайного образования за то же время комплекса из 100 функциональных белков (у бактерии их около 2000) оценивается как 10-2000. Такие вероятности лишают смысла объяснение возникновения биохимической формы основной полноты сборкой из «готовых уз-лов», после которой она становится открытой, неравновесной и само-воспроизводящейся системой. Очевидно, осмысленные последовательности должны иметь преимущество и, следовательно, более высокие вероятности в нерав-новесной области и возникать в каких-то удаляющихся от термоди-намического равновесия открытых химических системах. (Если так, идею биохимического предопределения следует распространить на эту область, т.е. расширить.) Метафорой этого условия может слу-жить простой самокат, который на ходу – только если не останавли-вается – превращается в сложный автомобиль, и невозможность по-явления автомобиля на сборочном конвейере, лишь сходя с которого он начинает функционировать как неравновесная система. Предложе-но несколько вероятных моделей таких химических «систем-самокатов», существенно различающихся как их конструкциями, так и объяснительным потенциалом в отношении происхождения химиче-ской основы живого. Их смысл и различия будет легче понять после краткого обзора принципа самоорганизации, отражающего общую природу и зако-номерности эволюции открытых систем. Его физическим основани-ем является неравновесная термодинамика, поскольку потоки вещест-ва и энергии – «главная деталь» открытых систем. В настоящее время можно говорить о двух типах самоорганизации: когерентном и континуальном, – и, соответственно, о двух вариантах принципа са-моорганизации5.

Первый вариант, отражающий когерентную самоорганиза-цию, известен как синергетика6. Напомним его положения на про-стейшем физическом примере – знаменитом эффекте А.Бенара7. Гори-зонтальный слой жидкости, в котором нет макроскопической неоднородности, и молекулы совершают только хаотическое броунов-ское движение, находится в состоянии термодинамического равнове-сия. Вывести его из этого состояния и придать ему черты открытой

неравновесной системы можно, если создать в нем вертикальный гра-диент (перепад) температуры, нагревая его снизу и вызывая направ-ленный вверх поток тепла. По отношению к жидкости он является необратимым процессом и базой эффекта ее самоорганизации. Снача-ла слой проводит тепло за счет столкновений молекул, движущихся по-прежнему хаотически. Однако при увеличении градиента темпера-туры до некоторого порогового значения их хаотическое движение сменяется когерентным, т.е. согласованным по всему объему жидко-сти, упорядоченным движением, которое в данном случае имеет кон-вективную природу: слой разделяется на ячейки, внутри которых цир-кулирует жидкость. Они имеют вид призм, в центре которых нагретая жидкость поднимается, образуя небольшое вздутие, а по граням ох-лажденная – опускается ко дну. Призмы примыкают друг к другу, и сверху это напоминает неподвижные пчелиные соты, чему на самом деле соответствует согласованное, когерентное движение молекул. Структура этого движения (но не сосуда и не молекул) и является не-равновесной, диссипативной: именно она рассеивает энергию, су-ществует за счет ее подвода и исчезает с его прекращением. Она исчезает, теряя устойчивость, еще в одном случае: если градиент температуры продолжает увеличиваться и достигает следующего порога, соответствующего существенно более интенсив-ному потоку тепла. Здесь ее сменяет новая диссипативная структура той же природы согласованного, но теперь турбулентного, вихреоб-разного движения молекул, обладающего повышенной способностью к переносу тепла. Она подвижна, более разнообразна и сложна гео-метрически, чем предшествующая статичная и монотонная «сотовая» структура. По мере удаления от термодинамического равновесия об-наруживается, таким образом, тенденция усложнения диссипа-тивных структур. Градиент температуры играет при этом роль управляющего параметра, разным интервалам значений которого от-вечают их варианты.

Когерентной самоорганизации свойственно следующее отно-шение структуры и функции. Диссипативная структура всегда имеет функцию (в данном случае – переноса и рассеивания тепла), связы-вающую ее с управляющим параметром: устойчив тот вариант струк-туры, чья функция отвечает текущему значению параметра, который является – через функцию – главным фактором отбора неравновес-ных структур и определяет его направленность. Структура отбира-ется по ее функции. При этом ни источник тепла, ни управляющий параметр не содержат информации о ней (структуре), в них нет ее «со-тов» и «вихрей». В неравновесных условиях они появляются сами, и

обеспечивающий это механизм выступает ядром феномена когерент-ной самоорганизации, а его отражение – центральной «догмой» ее теории: «Порядок из хаоса» или «Порядок через флуктуации». Переход от равновесного хаоса броуновского движения к дис-сипативной структуре, как и смена одного ее варианта другим, проис-ходит путем отбора некоторых из присущих самой системе разнооб-разных флуктуаций. Они – случайные по месту и времени возникновения, незначительные (микроскопические) по амплитуде, размеру и продолжительности существования отклонения от харак-терного для системы в целом макроскопического состояния. Каждая флуктуация по существу является возможностью и своеобразным за-чатком других ее состояний. Как заметил Гегель, «случайное… есть вместе с тем возможность чего-то другого»8. Когда управляющий па-раметр подходит к одному из пороговых значений, система теряет устойчивость по отношению к своим флуктуациям, перестает удерживать их на уровне микроскопических отклонений. Они начи-нают расти, конкурируют между собой и разрушают равновесную однородность или диссипативную структуру ее предыдущего состоя-ния. Это «разрушенное» состояние называется точкой бифуркации. От броуновского хаоса оно отличается тем, что его хаос, из которого и возникает порядок, неравновесен, имеет характерные макроскопи-ческие масштабы и другой смысл: образно говоря, он является парадом «подросших» флуктуаций-возможностей, предлагающих себя в каче-стве новых структур. При достижении управляющим параметром по-рогового значения один из их вариантов отбирается базисным про-цессом по признаку соответствия его интенсивности и, «дорастая», распространяется на всю систему как ее новая структура, а другие возвращаются на микроскопический уровень. Кому-то может повезти в новой бифуркации. Этот отбор является единством необходимо-сти и случайности: необходимо соответствие структуры интенсив-ности потока (значению управляющего параметра), но выбор одной из равноценных в данном отношении структур случаен и непредсказу-ем. Например, вихрь турбулентной диссипации не может не образо-ваться, но может оказаться направленным по часовой стрелке или против нее.

По такому сценарию диссипативные структуры появляются и в пространстве химической реакции при наличии в нем градиента кон-центрации отдельных реагентов, если реакция имеет петли обратной связи, т.е. зависит от собственных промежуточных или конечных про-дуктов. В этом случае возникают их концентрационные автоколеба-ния, образуются стационарные периодические концентрационные

структуры типа стоячих волн и т.п.вид которых зависит и от величины градиента.

Феномен когерентной самооргани-зации универсален, присущ системам, принадлежащим всем формам материи. Поскольку каскады, последовательности бифуркаций способны повышать слож-ность и разнообразие диссипативных структур, может показаться, что коге-рентная самоорганизация сама по себе и обеспечивает то направление эволюции низшего, которое непосредственно ведет его к включению в высшее. Однако это – преувеличение.

Во-первых, управляющий параметр не зависит здесь от самой системы, и ее усложнение оказывается не столько внутренне необхо-димым ей, сколько вынужденным процессом, главная причина которо-го находится вне системы. Направленность эволюции определяется не столько содержанием самой системы, сколько изменением параметра, которое теоретически может быть каким угодно. Когерентная самоор-ганизация была бы гораздо более «само-», если бы ее диссипативные структуры могли изменять значение управляющего параметра в сто-рону собственного усложнения, если бы, например, «сотовая» конвек-тивная структура увеличивала температуру нагревателя. Во-вторых, – и главное – механизм когерентной самоорганизации сам по себе не предполагает усложнения (и вообще эволюции) тех индивидуальных объектов, согласованное поведение которых образует ее диссипатив-ные структуры. У когерентно самоорганизующихся систем два уров-ня: «микроскопический» и «макроскопический» (подразумеваются не абсолютные размерные величины, а их соотношение). На первом находятся качественно однородные, взаимозаменяемые единичные объекты, существующие независимо от обусловливающего эффект самоорганизации потока и являющиеся в его отношении (а не вообще) равновесными системами. Ими могут быть электроны, атомы, молеку-лы, организмы, люди. Второй уровень – неопределенно большой ан-самбль или коллектив таких объектов, не связанных друг с другом же-стко определенной функцией и взаимодействием (газ, жидкость, популяция, толпа). Диссипативные когерентные структуры всегда и только макроскопические. Рассеяние ими энергии не ведет к образо-ванию на микроскопическом уровне новых устойчивых связей, которые сохранялись бы при последующих изменениях управляющего па-раметра, как если бы, например, «сотовая» конвективная структура обеспечивала полимеризацию молекул в ходе их совместной циркуля-ции. Не изменяя природы объектов первого уровня, механизмы коге-рентной самоорганизации не могут глубоко затрагивать и сущности макросистемы в целом, по отношению к которой ее диссипативные структуры оказываются, в конечном счете, довольно поверхностными. Имея неглубокую в этом смысле память, когерентные структуры сами по себе не могут накапливать эволюционную информацию, обеспечи-вая «превращение самокатов в автомобили» и становление биохими-ческой формы основной полноты химической материи. Это не значит, что они не имеют к нему никакого отношения. Земля, например, является неравновесной системой, из ее недр на-правлены потоки энергии и образующихся там соединений. В местах их выхода на поверхность и естественных при этом градиентах кон-центрации и температуры могут идти химические реакции и возникать «когерентные» области повышенной концентрации их промежуточ-ных и конечных продуктов, вероятно, необходимые, но не достаточ-ные для этого становления.

Континуальная самоорганизация, напротив, присуща индивидуальным объектам, которые значительно отличаются от ко-герентно самоорганизующихся двухуровневых систем. Их компонен-ты качественно разнородны, не заменяют друг друга, сильно взаимо-действуют и связаны в функционально неделимое целое – кинетический континуум определенных размеров, массы и формы. Эти объекты, конечно, тоже являются открытыми системами, но, в от-личие от «синергетических» открытых систем, сами вызывают свой базисный процесс – удерживающий их вдали от равновесия поток ве-щества и/или энергии. В связи с этим в их организации выделяются две сферы. Первая – кинетическая – соответствует этому потоку. Вторая – конституционная – той предметной стороне системы, ко-торая инициирует этот поток. Конституционная сфера, наряду с не-равновесным (возбужденным) состоянием, имеет и равновесный вари-ант, чем принципиально отличается от кинетической сферы, для которой равновесие тождественно ее отсутствию. Поэтому контину-альная самоорганизация способна спонтанно, самопроизвольно начи-наться с «нуля» из состояния равновесия при наличии материала, ко-торый потенциальная – до появления соответствующей открытой системы – конституционная сфера может «превратить в поток», пере-ходя при этом в свое неравновесное состояние. Интенсивность пото-ка зависит здесь не от внешнего управляющего параметра, а от приро-

ды конституционной сферы самой системы. Часть рассеиваемой системой энергии совершает полезную работу по поддержанию ее кинетической и – главное – конституционной сферы, которой нет у когерентных диссипативных структур. Их субстрат в своем движении рассеивает энергию, полезная работа которой ограничена поддержа-нием структуры этого движения, но не вызывающей его «веществен-ной» структуры. (Поэтому организация кинетической сферы конти-нуально самоорганизованной системы, если система является макроскопической по отношению к элементам этой сферы, должна иметь «когерентные» черты.) Континуально самоорганизованными являются, например, живые существа. Роль, которую в когерентной самоорганизации играют флук-туации, в континуальной самоорганизации принадлежит случайным изменениям природы конституционной сферы системы, которые ска-зываются на интенсивности обусловленного ею потока вещества и энергии, т.е. на функции системы. Цепочка таких изменений, после-довательно увеличивающих интенсивность потока, уводит систему вглубь неравновесной области и аналогична в этом каскаду бифурка-ций, усложняющих когерентные диссипативные структуры. Интен-сификации функции континуально самоорганизующихся систем отве-чает их прогрессивная эволюция, которая направлена в сторону кинетического совершенства. Примечательной чертой этих систем является то, что цепочка прогрессивных изменений оказывается более вероятной, чем равная ей по длине цепочка регрессивных, снижаю-щих функциональную активность изменений. Это объясняется связью случайных изменений конституционной сферы и базисного процесса, имеющей характер их отбора этим процессом. Его (отбора) природа будет далее рассмотрена особо, но уже очевидно, что если «отбираю-щий» процесс инициирован самой системой, ее эволюция оказывается саморазвитием в гораздо большей степени, чем у только когерентно самоорганизующихся структур. Развитие выступает здесь следстви-ем функционирования системы и может быть теоретически выве-дено из функции, которая сама по себе развитием не является. Кроме того, только континуально самоорганизующиеся системы, имея кон-ституционную сферу, допускают накопление в ней эволюционной информации и, таким образом, глубокие преобразования природы их субстрата. Становление биохимической формы основной полноты химической материи должно проходить в континуально самооргани-зующихся системах при участии присущих им эффектов когерентной самоорганизации

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16