11.4.1. Физические модели в биологии

Имеются физические модели, рассматривающие живой орга­низм как целостную макроскопическую квантовую систему. Тог­да устойчивость живого (различие и устойчивость видов и от­дельных особей) может быть объяснена на основе имеющихся принципов квантовой механики, в том числе — тождественности и дискретности. Можно дать физическое обоснование многооб­разной дифференциальной устойчивости на других уровнях квантовой организации природы — атомном, молекулярном и ядерном. Условием применимости квантово-механического под­хода к макроскопической системе как целому является наличие в ней нелокального самосогласованного потенциала [161].

Правила отбора позволяют превратить квазинепрерывный спектр переходов между уровнями в дискретный. Конечно, нель­зя однозначно и «впрямую» переносить законы и положения квантовой механики микромира на макроскопические объекты живой природы. Однако методологически можно ожидать успе­ха, как это мы видели на примере космомикрофизики. Кроме того, хотелось бы, чтобы законы, объясняющие природу, были бы одинаковы для всех ее элементов. Квантово-механический подход к живому позволяет использовать для описания процес­сов в организме такие понятия, как «состояния» и «вектор раз­вития» этих состояний, а также статистически построить базис пространства этих векторов.

Представление фазового пространства в нелинейной динами­ке также дает возможность анализировать процессы жизнеде­ятельности организма. В диссипативных структурах за порогом неравновесного фазового перехода в среде возникают когерент­ные взаимодействия. Как нам уже известно (см. гл. 7), используя нелинейные дифференциальные уравнения и понятия аттракто­ров, можно классифицировать возникающие структуры и опи­сывать траектории движения вокруг особых точек. Поведение точек фазового пространства в таком случае будет определять развитие и изменение состояния системы. Поэтому эволюцион­ный процесс математически может быть описан векторным по­лем в фазовом пространстве. Понимание странного аттрактора как особого состояния хаоса, из которого может возникнуть упо­рядоченная иерархическая структура живого организма, под­тверждает борьбу организма за отрицательную энтропию.

Известно, что хаотическое состояние для замкнутых систем ха­рактеризуется возрастанием энтропии системы, которая зависит от фазового пространства, занимаемого системой. Поэтому, если тра­ектории системы будут равномерно заполнять некоторый объем в этом пространстве, эффективный объем, занимаемый системой в случае странного аттрактора, будет существенно больше, чем в слу­чае обычного. Поскольку обычный аттрактор связывается с поряд­ком, то появление странного аттрактора означает увеличение фазо­вого пространства и энтропии и тем самым переход к хаосу.

Следовательно, упорядоченное состояние живого организма обладает меньшей энтропией, чем окружающая неструктуриро­ванная хаотическая внешняя среда. Заметим также, что аттрак­торы определяют устойчивое состояние, и если система попадает в поле его притяжения, то она обязательно эволюционирует к этому устойчивому состоянию (структуре). Будущее состояние системы (среды) как бы «притягивает», организует, формирует, изменяет ее настоящее состояние. В этом смысле можно сказать: будущее влияет на настоящее! Странные аттракторы определяют границы неустойчивости, в рамках которых происходят флукту­ации и бифуркации. Получается, что обычный аттрактор описы­вает устойчивое равновесие порядка, а странный — неустойчи­вое равновесие детерминированного хаоса.

Их динамическое (а может быть, и гармоническое) сочетание характеризует эволюционный процесс развития живой системы. Спектр структур-аттракторов представляет собой поле путей раз­вития, бифуркационное дерево возможных ветвящихся направ­лений развертывающихся событий. Он может определяться воз­действиями управляющих параметров и внутренними свойства­ми среды и заключает в себе тем самым план эволюции. Этот план потенциален и зависит от нелинейных свойств среды. Воз­действие управляющих параметров в точках бифуркации приво­дит к тому, что система начинает осуществлять свой потенци­альный план развития.

Может быть, в этом и заключается физический смысл памя­ти. Превышение управляющих параметров некоторых пороговых значений качественно изменяет состояние системы и характер ее развития. Качественное же изменение состояния организма оз­начает новые пути эволюционного процесса. Заметим, что вся­кое развитие сложной системы, выражающееся в появлении но­вого качества, возможно только при наличии в системе флукту- аций, склонных к разрастанию.

Сочетание синергетического и квантово-механического под­ходов позволяет в рамках модели физики живого рассматривать организм как диссипативную структуру, динамическая устойчи­вость которой определяется устойчивостью макроскопического квантового объекта. Для возникновения диссипативных струк­тур, в которых устойчивы упорядоченные неравновесные состоя­ния, требуется большое количество энергии. Обмен энергией с окружающей средой приводит к тому, что свободная энергия «забирается» из нее, а «обесцененная» (с положительной энтро­пией) отдается окружающей среде — рассеивается в ней (дисси- патируется). Поэтому диссипативная структура живого организ­ма обладает более дифференцированными и организованными уровнями упорядоченности, требующими для своей жизнеде­ятельности больше энергии, чем для поддержания функциони­рования простых структур. Энергия как бы «творит» более высо­кие уровни организации. Естественно, что дифференциация ве­дет к усложнению системы, пределом которого может быть достижение неравновесного состояния («устойчивого неравнове­сия», по Э. Бауэру), характерного для живых организмов.

Такие представления согласуются с принципом минимума диссипации энергии по Н.Н. Моисееву, т.е. накопления свобод­ной энергии в организме, и принципами Розена: оптимальной конструкции в биологии, оптимальной структуризации, мини­мизации траты энергии и «строительного материала». Действи­тельно, из 111 химических элементов природы организм исполь­зует только 22, причем он состоит на 99% из легких элементов: Н₂, 0₂, С и N₂, соответственно 60, 25, 10 и 2%. Принцип опти­мальной конструкции живого выступает здесь как частный слу­чай всеобщих физических принципов оптимальности и на­именьшего действия. Чем выше организация, тем эффективнее использует живой организм энергию, получаемую из внешней среды в процессе обмена веществом. Эффективность использо­вания энергии проявляется как в необходимом поддержании и сохранении своей организации, так и в минимизации расхода энергии. Поэтому принцип минимума диссипации энергии мож­но рассматривать как частный случай общего принципа эконо­мии энергии и минимума производства энтропии.

Согласно И. Р. Пригожину, если имеющиеся граничные условия мешают системе достичь термодинамического равновесия, а это означает нулевое производство энтропии, то такая система перехо­дит в состояние с наименьшей диссипацией. Тем не менее любая работа, совершаемая живым организмом, при сохранении собст­венной внутренней энергии (если она будет уменьшаться, орга­низм погибнет) должна компенсироваться притоком энергии изв­не. В целом наименьшая «трата» энергии, т.е. максимальная ее экономия, характерна для функционирования живых систем и свидетельствует об их высокой организации. Например, энергия, требуемая для функционирования клетки, составляет менее 10⁵ эВ, а энергия лазера, обеспечивающая его работу, — около 10¹² эВ. Для живых организмов энергетически выгодно сокращение по­верхности организма, которая находится в контакте с внешней сре­дой. У высокоорганизованных многоклеточных структур эта по­верхность меньше. Таким образом, одними из главных факторов развития живого являются энергетический и организационный и их можно рассматривать во взаимном единстве.