Хакен - тайны природы

Здесь нам снова (как и в случае с лазером) придут на помощь концепция параметра порядка и принцип подчинения. При введении в систему исходных реагентов в определенных концентрациях течение реакции становится нестабильным и замещается периодическими изменениями, т. е. флуктуациями, которые играют роль параметра порядка и подчиняют себе отдельные молекулы. Вследствие этих флуктуации реакция приобретает вынужденно периодический характер, при котором молекулы в едином ритме образуют новые соединения, а затем разрушают их и т.д., так что на макроскопическом уровне мы наблюдаем периодическое изменение цвета жидкости с красного на голубой и обратно. Флуктуационные процессы такого рода можно обработать математически и определить точное значение параметра порядка.

Недавние исследования показали, что связанный с обменом энергией процесс обмена веществ в отдельной клетке протекает в определенном ритме и также является периодическим.

Химические волны и спирали

На свете существует множество еще более прекрасных и сложных явлений. Некоторые из них представлены на рис. 6.5. Мы снова возвращаемся к реакции Белоусова-Жаботинского. Сначала в центрах, случайным образом возникающих на общем красном фоне, образуются голубые точки; затем эти точки становятся голубыми кругами, в центрах которых появляются красные точки, быстро вырастающие в красные круги; в красных кругах образуются голубые точки, и все повторяется сначала. Таким образом, голубые концентрические кольца расходятся вширь. Условия эксперимента можно изменить, проведя по жидкости, скажем, ногтем; результатом станет возникновение спиралей (рис. 6.6).

На первый взгляд, понять причину образования подобных макроскопических структур весьма непросто; воспользуемся для облегчения этой задачи следующим нехитрым примером. Возникновение концентрических колец можно сравнить со степным пожаром. Красный фон станет в таком случае высохшей травой, а огонь в эпицентре пожара в безветренную погоду будет гореть равномерно, распространяя пламя по кругу одинаково во все стороны. Если горящую поверхность обозначить голубым цветом, то сложится следующая картина: небольшая голубая точка разрастается сначала до круглого пятна, а затем расходится все дальше и дальше от эпицентра,

Рис. 6.6. См. подпись к рис. 6.5

в котором уже снова успела вырасти и высохнуть трава, благодаря чему он на нашей картине вновь выглядит красным и продолжает разрастаться до тех пор, пока трава за линией расширяющегося фронта пожара не высохнет до степени самовозгорания. После этого вся история повторяется сначала. Описываемые здесь химические реакции не нуждаются во внешнем воздействии (для степного пожара таким воздействием является воспламеняющий траву жар солнца). Система сама по себе находится в состоянии, являющемся в известной степени надкритическим, и реакция, ведущая к возникновению голубых точек, начинается самопроизвольно, но в остальном это явление того же рода, что и степной пожар. Выгорание в случае с

травой из нашего примера и появление кругов голубого цвета на красном фоне в реакции Белоусова-Жаботинского означает, что происходят определенные химические трансформации, однако затем наступает фаза обратной реакции, которая приводит к восстановлению прежнего состояния.

Для возникновения волн или спиралей в реакции Белоусова-Жаботин- ского молекулы реагентов должны сходиться друг с другом, а это означает, что они должны обладать способностью к движению. Они и в самом деле движутся, и происходит это благодаря диффузии —явлению, всем нам хорошо знакомому из повседневной жизни. Например, промокнем чернильное пятно на столе листом промокательной бумаги: чернила диффундируют в бумагу, в результате чего мы получим чернильное пятно уже на бумаге. Обсуждаемые здесь макроскопические процессы основаны, таким образом, на взаимопереходах между химическими реакциями с одной стороны, и диффузией — с другой. Такие процессы описываются уравнениями, которые на профессиональном языке называются уравнениями диффузии; здесь мы ими заниматься, естественно, не будем. Важно для нас только то, что математическая обработка и здесь доказывает существование параметра порядка, управляющего развитием пространственно-временных структур. Именно тип параметра порядка определяет возникновение в системе волновых или спиральных структур. В полном согласии с теорией экспериментально были обнаружены также полосатые и гексагональные структуры, аналогичные образующимся в нагреваемой снизу жидкости.

Новый универсальный принцип

На конкретных примерах, взятых из разных областей физики и из химии, мы убедились, что концепция параметра порядка и принцип подчинения встречаются повсюду. Эти понятия красной нитью пройдут через всю книгу. Наблюдая их проявления в химических реакциях, мы впервые осознаем некую новую общность. В основе химических флуктуации и волн, с которыми мы познакомились, всегда лежат процессы автокатализа. Исходные молекулы своим присутствием и взаимодействием с молекулами другого типа способствуют получению новых молекул своего типа. Это проливает новый свет и на процессы, происходящие в лазере: некая световая волна одним фактом своего существования вынуждает электроны отдавать свою энергию для усиления именно этой волны — налицо не что иное, как процесс автокатализа (рис. 6.7). Идея автокатализа — так же, как и понятие

Удар обрушился на Дарвина в 1858 году: произошло то, о чем предупреждал Лайель — и то, во что не хотел верить Дарвин. Дарвин писал об этом убийственном, ошеломившем его событии Лайелю: «Сегодня я получил от него [Уоллеса] прилагаемую статью, которую он просит переслать Вам. По-моему, она вполне заслуживает внимания. Ваши слова о том, что меня опередят, полностью оправдались. [...] Если бы Уоллес имел мой рукописный очерк, законченный в 1842 году, он не мог бы составить лучшего извлечения! Даже его термины повторяются в названиях глав моей книги. [...] Итак, вся моя оригинальность, какова бы она ни была, разлетится в прах.»2

Скромность и desinteresse3 толкали Дарвина к тому, чтобы отказаться от права на приоритет; желание же получить признание и утвердить собственное авторство не позволяло ему смириться с тем, что все потеряно. Сначала Дарвин принимает великодушное, но отчаянное решение вовсе отойти в сторону; однако спустя неделю он снова пишет Лайелю: «Я очень желал бы опубликовать теперь очерк моих общих взглядов, страниц на десять или около того; но я не уверен, будет ли это с моей стороны благородно.»4 Снедаемый противоречивыми чувствами, Дарвин заканчивает письмо такими словами: «Мой добрый дорогой друг, простите меня. Это — вздорное письмо, подсказанное вздорными чувствами.»5 И далее, в приписке, пытаясь окончательно очиститься от этих чувств: «Больше никогда не буду докучать Вам и Гукеру этим предметом.»6

От этих слов Дарвин отрекается на следующий же день, в очередном письме Лайелю; противоречивые чувства вновь овладевают им. Волею судьбы именно в этот момент Дарвин узнает о смерти сына, Чарлза-младшего. По просьбе своего друга, Джозефа Долтона Гукера (1817-1911), Дарвин высылает ему рукопись Уоллеса и первоначальный вариант своей собственной, в редакции 1844 года: «Я посылаю мой набросок 1844 года только для того, чтобы Вы могли видеть по Вашим собственноручным пометкам, что Вы его читали. [...] Не теряйте много времени. Это жалкая слабость с моей стороны — вообще думать о каком-либо приоритете.»7 То, что измученный сомнениями Дарвин не хочет сделать для себя сам, делают для него другие члены научного сообщества.

2Там же, с. 96-97. — Прим. перев.

3 Бескорыстие (фр.)- — Прим. перев. ^Там же, с. 97. — Прим. перев.

Лайель и Гукер берут дело в свои руки и устраивают то судьбоносное заседание Линнеевского общества, на котором были представлены обе работы.

Это событие стало часом официального рождения теории эволюции, получившей название по имени своего создателя, Чарлза Дарвина. Теория находилась на волосок от того, чтобы называться «уоллесизмом»; почему этого не произошло, и почему дарвинизм так знаменит, а уоллесизм между тем почти совсем забыт, мы обсудим позднее, в главе 18. Здесь же будут изложены только основные положения теории эволюции. По Дарвину, природа пребывает в развитии, причем более сложные живые организмы являются продуктом развития организмов менее сложных. Фундаментальное значение для этого процесса имеет взаимодействие между генотипом, т. е. наследственными признаками, с одной стороны, и фенотипом, т. е. признаками и свойствами, приобретаемыми самими растениями и животными в процессе индивидуального развития, —с другой. Дарвин предполагал, что наследственные признаки могут спонтанно изменяться — мутировать. Сегодня возможность такого рода мутаций в генах, несущих в себе наследственную информацию, доказана. Эти мутации представляют собой изменения на микроскопическом уровне.

Вследствие изменившихся наследственных признаков происходят изменения присущих животным и растениям свойств. Например, потомство белых бабочек может иметь черные крылья, могут также быть видоизменены конечности. Жизнь животных под влиянием этих изменений также может изменяться в большей или меньшей степени. Так, например, птицы с изменившейся формой клюва могут питаться насекомыми, которых прежде были неспособны добывать. Природа постоянно поражает нас изобилием самых разнообразных форм, среди которых часто встречаются такие, чья функциональность и целесообразность становится очевидна с первого взгляда. Такая целесообразность рассматривалась в прежние времена как целенаправленность божественного промысла: бог намеренно создал животных именно такими, чтобы им легче было добывать себе пищу. Согласно же Дарвину, эти формы суть результат мутаций с одной стороны, и отбора, называемого также селекцией, — с другой. Разные виды животных, сумевших хорошо адаптироваться к окружающей среде, вступают в межвидовую конкурентную борьбу за пропитание. Можно назвать и другие потребности, ведущие к возникновению такой борьбы: для птиц это и поиск мест гнездования, и поиск укрытий. Так начинается конкурентная борьба между различны-

ми видами, приводящая к выживанию лучших из них. Таковы вкратце основные положения дарвинизма, и теперь мы можем двигаться дальше.

Правда, перед нами сразу же встает ряд проблем, связанных прежде всего с биологией и натурфилософией. Во-первых, тезис «выживает сильнейший» напоминает о кошке, пытающейся ухватить саму себя за хвост, так как согласно этому же тезису понятие «сильнейший» определяется следующим образом: сильнейший — это тот, кто выживает. Этот гордиев узел можно разрубить, использовав аналогичный пример из мира неживой природы, ведь дарвинизм применим не только к живой, но и к неживой материи. Мы уже сталкивались с этим на примере лазера, когда установили, что между световыми волнами существует конкуренция, в результате которой «выживает» только одна волна. Волну эту можно рассматривать как «сильнейшую». Однако важно здесь то, что в физике лазера мы имеем возможность с самого начала вычислить, какая именно мода или какая именно волна выживет, а значит, окажется «сильнейшей». Таким образом, в этом случае в нашем распоряжении имеются объективные критерии, благодаря которым мы еще до начала процесса можем сказать, кто станет победителем. Правда, здесь существуют и некоторые ограничения: обычно на роль «сильнейших» находится одновременно несколько волн-кандида- тов.

Симметрия между этими волнами может быть нарушена только в результате случайной флуктуации, предсказание которой выходит за пределы наших возможностей, т. е. окончательный выбор одного из нескольких кандидатов происходит по воле случая. Однако наряду с этими сильнейшими модами существует еще множество других, о дальнейшей судьбе которых мы можем судить со всей определенностью: они не выживут.

Благодаря исследованиям в области динамики лазера, мы располагаем моделью, с помощью которой можно осуществить дополнительное физическое и математическое моделирование положений дарвинизма, очень быстро получающих в ходе экспериментов исчерпывающее подтверждение.

Электромагнитные колебания в лазере возникают и существуют за счет возбуждения атомов; этот процесс вполне можно перенести и на мир живой природы. Допустим, что существует несколько различных видов, питающихся одинаковой пищей; действительно, в результате конкурентной борьбы выживет только самый «толковый» — например тот, кто добывает пищу быстрее остальных.

Конкуренция между биомолекулами

Аналогия между процессами отбора в живой и неживой природе не ограничивается описанными выше колебаниями в лазере. Еще один мостик между «живым» и «неживым» обнаруживается в очень схожей по смыслу теории эволюции Эйгена. Основан этот мостик на том, что наследственные признаки определенных «биологических» молекул (о которых мы непременно поговорим подробнее чуть позже, в главе 9) в прямом смысле слова наследуются. Для нас в данном случае важно, что эти молекулы могут размножаться путем автокатализа (подобно модам в лазере!), а затем вступать в конкурентную борьбу. Впрочем, в начальной редакции теории Эйгена уравнения, описывающие размножение биомолекул, имели точно такую же форму, что и описывающие «размножение» волн в лазере. Совпадение такого рода в двух совершенно разных областях у авторов, получивших свои уравнения независимо друг от друга, едва ли можно счесть случайным; оно, скорее, указывает на существование универсальных принципов,которые мы действительно постоянно встречаем в этой книге.

Особенно привлекательно в этой теории эволюции, конечно, то, что она устанавливает связь между неживой и живой природой и в определенном смысле выявляет устойчивый переход от «неживого» к «живому», наблюдаемый в процессах мутации и селекции. Несомненно, именно в области биохимии предстоит еще большая исследовательская работа в этом направлении, однако многообещающее начало уже положено.

Ради полноты картины сделаем еще несколько замечаний. В семидесятые годы Манфред Эйген и Петер Шустер уточнили представление об автокаталитическом размножении биомолекул.

В простейшем случае мы имеем дело с молекулами двух типов — скажем, типа А и типа Б. Молекулы каждого из этих типов размножаются путем автокатализа. Однако при этом молекулы типа А выступают в роли катализатора при размножении молекул типа Б, а молекулы типа Б точно так же участвуют в роли катализатора в реакции размножения молекул типа А. Схематически этот случай показан на рис. 7.1 слева. Схему можно расширить, увеличив количество различных типов молекул, участвующих в процессе. Справа на рис. 7.1 показан случай с тремя типами молекул: А, Б и В. Все три типа размножаются автокаталитически, но при этом молекулы типа А в роли катализатора помогают молекулам типа Б, молекулы типа Б

вроли катализатора помогают молекулам типа В, ну а молекулы типа В,

всвою очередь, являются катализатором в процессе размножения молекул