В статье рассматривается одна из основополагающих тем биологической картины мира — проблема сущности жизни. Рассмотрение развития энергетических представлений о сущности жизни позволяет обозначить истоки современного понимания живой системы как открытой, саморегулируемой и самовоспроизводящейся гетерогенной системы.
Ключевые слова: биологическая картина мира, жизнь, энергетический аспект живого.
Особенностью картины биологической реальности является то, что составляет основу ее онтологии, специфический предмет ее изучения — жизнь в единстве ее организации, функционирования и развития [4]. Биология представляет собой одну из старейших научных дисциплин (проблемы биологического присутствовали уже в сочинениях Аристотеля, арабских медиков аль-Джахиза, ибн-Сины, ибн-Зухры, ибн-аль-Нафиза и таких мыслителей Возрождения, как Андрей Везалий и Уильям Гарвей), предметом ее изучения являются сложные и разнообразные формы живых организмов, что являлось серьезным препятствием для разработки идеи общего порядка, которая могла явиться основанием для формулировки научного видения живой природы как единого целого. Одной из особенностей биологической картины мира является то, что, изучение живой природы, сформированное на абстрактных принципах не сможет учесть бесконечного разнообразия феноменов природы и постичь уникальность индивидуальных природных организмов.
Идеалом биологического познания является собирание как можно большего количества единичных, неповторимых событий, на основании чего возможна формулировка общих принципов. В связи с этим возникает редукционистский взгляд на феномены биологической реальности, поскольку большинство уровней живого описываются разветвленной системой физических методов, понятий, законов и моделей. Однако полного сведения биологического уровня движения материи к физическому или химическому не происходит, поскольку, например, функция в биологическом смысле представляет собой значимый процесс, белок рассматривается как часть более общей системы, приобретающей благодаря этому дополнительные свойства, прямо не выводимые из фундаментальных законов физики, хотя и возможные только благодаря им [9].
Современное подход к проблеме жизни основан на признании, что жизнь возникла на Земле в связи с появлением особого рода системы взаимодействующих полимеров, которая характеризуется как открытая, способная к самовоспроизведению, авторегуляции, развитию и эволюции. Основополагающим для определения системы взаимодействующих полимеров как живой является конвариантная редупликация.
С. В. Вонсовский справедливо отмечает, что живой организм в целом, как и его функциональные составляющие, представляют собой сложную открытую термодинамическую систему. Живая система гетерогенна — она является макросистемой, неоднородной по своим характеристикам, чьи однородные части разъединены поверхностными слоями, взаимодействующими элементами которых являются большие и малые молекулы и ионы. Биологические системы рассматриваются как открытые системы, поддерживающими тесный обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Для открытых систем, что отличает их от изолированных систем характерно то, что они описываются при помощи термодинамики необратимых процессов, находящихся вдали от равновесия [2].
Живая система в современной естественнонаучной картине мира рассматривается как гетерогенная система, сущностными характеристиками которой являются открытость, саморегулируемость и самовоспроизводство, а функциональным веществом –биополимеры (белки и нуклеиновые кислоты). Данное понимание актуализирует обращение к энергетической составляющей сущности жизни.
Начиная с учения Фалеса в античной натурфилософской традиции появилась возможность рассматривать различные проблемы, в том числе и проблему жизни, не в рамках мифологического генетизма, а в контексте субстратного мышления. Основой научного субстратного подхода к живому является изучение вещества живых систем — протоплазмы. Несмотря на то, что исследования, основывающиеся на изучении агрегатного состояния живой протоплазмы не привели к позитивным результатам в прояснении сущности живого, разработанные теоретические модели живой субстанции и эксперименты, возникающие на стыке химии и биологии после революции в естествознании, связанной с именами Ч.Дарвина и Л.Пастера, привели к формированию научных представлений о динамизме клеточного содержимого.
Представление о динамичности живого характерно для истории философской мысли начиная с античных времен. Так, например, Гераклит считал, что сущность бытия активна, есть вечное становление, Г. Лейбниц, создав учение о монадах как центрах активности, развивал идею о динамичности живого состояния. Уже в терминах классической философии, проблема сущности жизни связывается со способом бытия наделенных внутренней активностью сущностей. Это отличает живое от неживых предметов, для движения и эволюции которых необходим внешний источник. Как концепт неклассической философии, жизнь связывается с идеей «жизненного мира» и рассматривается в контексте интуитивно постигаемой целостности бытия.
Одной из предпосылок исследования химической динамики живой субстанции было изучение А.Фехнером в 1828 году структурированных потоков при электролизе. Исследование подобных химических реакций, происходящих в гомогенном растворе, привело к возникновению динамической гетерогенности, то есть таких структур, которые напоминают структуры живого. В 1850 году Г.Спенсер, наблюдав аналогичное явление, пришел к формулированию своего видения принципа жизни, суть которого в постоянном переходе гомогенной системы в гетерогенную.
В это же время знаменитый химик В.Оствальд (1853–1932 годы жизни) в труде «Натурфилософия», предложил теоретическую модель живого, близкую к исследованиям в областях колебательной кинетики и синергетики. Дальнейшие изучение колебательной кинетики в гомогенных растворах и развитие математического описания колебательной кинетики сыграли важную роль в развитии энергетического подхода к проблеме определения того, что есть жизнь [3].
В.Оствальдом был поставлен вопрос о необходимости исследования энергетической компоненты триады жизни. В.Оствальд в понимании сущности жизни акцентирует внимание на энергетическом аспекте. Живое в его теории представлено как структурированный поток энергии, для которого специфическая периодичность колебаний зависит от внешних и от собственных, внутренних (биокатализаторов, ферментов) причин. В.Оствальд считает, что «... Стационарное состояние машины заключается не в постоянной скорости, а скорее в равномерном колебании около средней скорости. Другими словами, здесь получается не равномерная, а периодически изменяющаяся скорость. Этой периодичности избежать невозможно, потому что она есть необходимое следствие саморегулирования» [5, с. 200]. Далее, в разделе «Жизнь» В. Оствальд рассматривает в качестве основы живого стационарность протекания характерного для жизни потока энергии (обмена веществ): «... организм представляет собой стационарные формы энергии» [5, с. 230].
Биологическим явлениям присущи гармония и ритм как следствие того, что процессам в живых системах присущ колебательный характер. По мнению ученого эта форма существования обеспечивает самосохранение жизни: «… чтобы было возможно самодеятельное сохранение, должна существовать иная форма длительного существования, стационарная (а не устойчивая)» [5, с. 230]. Основным признаком жизни, по В.Оствальду, является свойство приобретать и самостоятельно регулировать «... тот запас энергии, который им необходим для сохранения своего стационарного состояния» [5, с. 231]. Основой регулирования обмена веществ организмов являются температура, пространственное отношение реагирующих веществ и катализ. Клетка рассматривается ученым как химическая лаборатория, в которой осуществляются самые разнообразные реакции, которым присуще каталитическое ускорение полезных реакций и каталитическое замедление реакций нецелесообразных [5, с. 268].
В.Оствальдом были выделены такие важнейшие свойства живого, как раздражимость, то есть способность реагировать на внешнее воздействие, и память, понимаемая как то свойство живой субстанции, благодаря которой определенные процессы, оставляют в организме следы, благоприятствующие повторению этих процессов [5, с. 269]. Данное понимание памяти включает в себя приспособление, наследственность и сознательную память.
Подход В.Оствальда к определению сущности жизни выходит за рамки субстратного (или морфологического) подхода к специфике живого состояния, поскольку жизнь определяется ученым как энергетическая форма существования обмена веществ. Дифференциация раздражимости связывается В.Оствальдом с возникновением органов чувств как усовершенствованием средств реагирования на различные световые, звуковые, химические, механические внешние воздействия. Даже эволюция в сторону теплокровности была связана ученым с увеличением предела независимости функционирования живой системы от влияния на него внешней среды. Превращение химической энергии предстает как основание для механизма движения расположенных на различных уровнях эволюционной лестницы живых организмов, для осмотической работы. Более того, ученый пытался объяснить с энергетических позиций также явления наследственности. Для этого он предлагал не морфологический, а химический механизм деления ядра, предполагая для этого наличие раздражителя, который был впоследствии обнаружен.
Переосмысляя эволюционные идеи В.Оствальда, Э.Бауэр (1890–1942 годы жизни) предлагает концепцию «неустойчивого равновесия». Э.Бауэр придерживался позиции энергетического понимания жизни и писал, что эволюционная теория является теорий, закономерно возникшей на основании всего накопленного материала относительно многообразия форм и наблюдаемых в естественных условиях жизненных проявлений организмов [1, с. 4]. Э.Бауэр считал, что эволюционная теория — это теория, которая явилась основополагающим принципом биологических исследований, которые привели к созданию теоретической биологии.
В работах Э.Бауэра нашло отражение представление о том, что живым системам присущ рост организованности (и в ходе онтогенеза, и филогенеза), который термодинамически сопровождается понижением энтропии и увеличением свободной энергии системы. Ученый считает, что живым системам не присуще равновесие, они постоянно производят работу против равновесия за счет своей свободной энергии, что противоречит требованиям законов физики и химии при существующих внешних условиях. Материальная система обозначается им как живая, если ей присуще активное противодействие воздействующим внешним силам и изменениям состояний окружающей среды [1, с. 20]. Э.Бауэр, рассматривая понятия «раздражимость» или «возбудимость», отмечает, что это то свойство живых организмов, согласно которому на изменения состояния окружающей среды происходит изменение состояния, то есть процессы, которые трудно выводимы из внешнего воздействия, вызвавшего раздражение. Внутреннее изменение не соответствует силе, вызвавшей изменения.
На основании понимания второго начала термодинамики как относительного (его проявление завесят от конкретных условий), Э.Бауэр формулирует всеобщий закон биологии — принцип неустойчивого равновесия. Живым системам присуще устойчивое поддержание себя, однако их условия удалены от термодинамического равновесия. То есть свойством систем, которое характеризует их как живые, является сохранение равновесия в термодинамическом отношении [1, с. 3].
В работе «Теоретическая биология» Э.Бауэр исследует специфику живого состояния, при этом проблема эволюции у него поднимается как проблема наследственности, сохранение тонкой структуры хромосом, видовых свойств в эволюционирующей цепи поколений живых организмов. Таким образом, была поставлена проблема передачи информации, которая входит в проблемное поле информационной компоненты триады жизни.
Элементарной единицей живого является клетка. Согласно современным биологическим представлениям, любое живое существо — клеточное. Одним из оснований функционирования биосистем, является перенос электрона в белке [6, с. 168], который связан с «туннельным эффектом», позволяющим перестраивать ядерные конфигурации макромолекулы, оказывающие влияние на биоэнергетику клетки. Постулируется, что «туннельные эффекты» в многоатомных системах приводят к формированию таких биологических свойств, как раздражимость и возбудимость [8].
Необходимость обращения к квантово-механическим методам исследования в биохимии при рассмотрении энергетического аспекта сущности жизни связана с тем, что ключевыми для жизненных процессов являются делокализованные электроны, источником которых являются природные элементы, составляющие основную часть биохимических веществ. Соавторы исследования «Квантовая биохимия» пишут, что все «наиболее важные биохимические вещества, связанные с основными функциями живой материи или осуществляющие эти функции, представляют собой полностью или, по крайней мере, частично сопряженные системы» [7, с. 546]. Для соединений с сопряженными связями характерна делокализация электронов. Этот факт придает молекуле дополнительную устойчивость и обеспечивает возможность реакций, не характерных для молекул других типов. Такого рода системы рассматриваются и как отправная структура, и как главная основа жизни [7, с. 547]. Следовательно, динамичность «электронного облака» в сопряженных молекулах согласовывается с представлениями о динамичной, энергетической сущности жизни.
Литература:
Бауэр Э. С. Теоретическая биология /Э. С. Бауэр. М., Л.: ВИЭМ, 1935. — 151с.
Вонсовский С. В. Современная естественно-научная картина мира / С. В. Вонсовский. Екатеринбург: Изд-во Гуманитарного ун-та, 2005. — 680 с.
Жаботинский А. М. Колебательные химические реакции в гомогенной среде и смежные проблемы // Колебательные процессы в биологических и химических системах / А. М. Жаботинский. М.: Наука, 1967. С. 149–171.
Карпинская Р. С. Природа биологии и философия биологии // Природа биологического познания / Р. С. Карпинская. М.: Наука, 1991. С. 5–7.
Оствальд В. Натурфилософия / В. Оствальд. М.: Изд-во Д. П. Ефимова, 1901. 334, IV с.
Петров Э. Г. Физика переноса зарядов в биосистемах / Э. Г. Петров. Киев: Наукова думка, 1984. — 368 с..
Пюльман Б., Пюльман А. Квантовая биохимия / Б. Пюльман, А. Пюльман. М.: Мир, 1965. — 654 с.
Шишло М. А., Кубли С. X., Нужный В. П. Биоэнергетика и регулирующие системы организма при действии магнитных полей // Реакции биологических систем на магнитные поля / М. А. Шишло, С. Х. Кубли, В. П. Нужный. М.: Наука, 1978. С. 81–102.
Шуталева А. В. Редукционизм и проблема объекта в химической картине мира // Исторические, философские, политические и юридические науки, культурология и искусствоведение. Вопросы теории и практики. Научно теоретический и прикладной журнал. № 8 (14) 2011. Часть 2. С. 214–216. http://philosophy-studies.ru/moi-publikacii/redukcionizm-i-problema-obekta-v-ximicheskoj-kartine-mira.html#more-40 Обращение 26 марта 2013 года.