Страница 21 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен

Обычно при определении отличия живых систем от неживых подчеркивают роль автокаталитических реакций – химического самовоспроизведения. Выделяют неравновесность как отличие живых систем и отмечают особенность энергетики метаболизма – использование для её нужд свободной энергии. Эти факторы в определении живых систем должны участвовать. Однако решающее отличие жизни, как было подчёркнуто выше, есть случайности как результат неоднозначности автокатализа. На основе изложенного выше, сформулирую ещё один вариант определения жизни в виде утверждения – жизнь есть класс самовоспроизводящихся динамических систем, в которых случайные ошибки могут приводить к новым самовоспроизводящимся системам.

Предбиологическая эволюция есть физико-химические процессы самопроизвольного синтеза веществ, которые способны сочетать однозначное и неоднозначное самовоспроизведение.

Для того, чтобы пояснить особенности подхода к задаче о возникновении и эволюции жизни в моих работах, рассмотрю предбиологическую эволюцию в том виде, в котором её математическое описание сформулировал в 1971 г. М. Эйген [29]. В основе работ Эйгена лежат две глобальные предпосылки, которые нельзя считать окончательными:

жизнь есть флуктуация, направленная против роста энтропии, то есть жизнь возникает вопреки второму началу термодинамики;

можно ввести понятие о параметре “ценности” информации, который характеризует уровень эволюции.

Перескажу конкретно предпосылки работы Эйгена в том виде, в котором он их формулирует, сопоставив их с решениями в моей работе. Цитаты из работы Эйгена [29] выделены курсивом и кавычками (не путать с полужирным курсивом моих подчёркиваний).

“Эволюция должна начинаться со случайных событий”. Однако, как указывает Эйген, этому, казалось бы, противоречит, например, факт – относительно малая молекула белка из 100 аминокислотных остатков может иметь больше 10130 вариантов различных их последовательностей. Представить наглядно такое огромное число просто невозможно. Отношение размера Вселенной к размеру электрона по сравнению с ним, есть, опять-таки, непредставимо малая величина.

Мой ответ на противоречие, сформулированное Эйгеном в п. 1:

Именно огромное число возможных случайных вариантов гарантирует остроту экстремумов энтропии, то есть детерминизм объектов и состояний, возникающих на основе случайностей. Ситуация подобна обычной для молекулярно-кинетической теории газов. Например, при атмосферном давлении эффекты, связанные с молекулярным строением газов трудно наблюдать именно потому, что числа возможных случайных реализаций состояний молекул газа – огромны (кстати, исторически именно это было всегда одной из причин непонимания молекулярно-кинетической теории, а также понятия об энтропии).

Однако абстрактные цифры типа 10130 и более не отвечают реальности природы потому, что случайности всегда ограничены условиями, а синтез информации обязательно содержит в себе долю семантической информации, количественно определяемую критерием (1.30).

С учетом этого надо отметить, что для жизни человек (как наблюдатель) сам находится в одном из этих экстремумов. Поэтому даже ничтожные (в масштабах величины экстремума) отклонения от точки экстремума им наблюдаемы.

Из п. 1 Эйген делает вывод, что “Самоорганизация требует инструктивных свойств на молекулярном уровне”. Инструктивные свойства, как он указывает, может задать информация, которая должна кодировать определённые функции. Ссылаясь на Бриллюэна, Шеннона и Шрёдингера он констатирует, что классическая теория информации (как теория передачи и обработки сообщений) не может объяснить возникновение информации, что ограничивает применимость теории информации к проблемам эволюции жизни. Выход из этого тупика Эйген видит в введении нового понятия – параметра “«ценности» информации”, который характеризует уровень эволюции.

Мой ответ на противоречие, сформулированное Эйгеном в п. 2:

Возникновение информации определено Г. Кастлером

как запоминание случайного выбора. В моих работах [2] – [11] понятие синтеза информации конкретизировано цепочкой: Случайности – Условия – Запоминание (см. параграф 4 главы I), в которой запоминание реализуют критерии устойчивости Ляпунова (1 – 4 рис. 1.2), включая ранее не рассматривавшиеся в литературе случаи запоминания на основе критериев устойчивости в комплексной плоскости (5 на рис. 1.2) и принцип максимума производства энтропии (рис. 1.4), объясняющий переход системы через тупик равновесия. В результате неопределённое понятие «ценности» информации перестаёт быть необходимым (хотя и может использоваться как частная рабочая модель). Вместо него в природе действуют такие объективные критерии, как запас устойчивости и область устойчивости (см. параграф 12 главы I).

И другое неопределённое понятие “инструктивные свойства на молекулярном уровне” заменяется конкретностью предыдущих “неживых” уровней иерархии энтропии-информации, в частности, 6N-мерных симметрий квазикристаллов в фазовом пространстве и принципом структурной комплементарности (см. главу VI).

Понятие «ценности» информации Эйген поясняет с помощью аналогии с дарвиновским естественным отбором, формулируя определение: “Информация «порождается» или преобретает ценность в результате отбора”. Нужна математическая формулировка этого утверждения, то есть физически объективное обоснование понятия ценности. Эйген в связи с этим формулирует главный парадокс дарвинизма о том, что он есть просто “выживание выживающего”. Эйген пытается уйти от этого трюизма: “Когда мы спрашиваем, что делает систему отобранной для производства «первичной информации», то ответ должен иметь отношение к некоторому возвратному свойству: «Самоорганизующаяся система отбирается для оптимальной способности отбора». … Такая способность … не является общим свойством материи ”.

Мой ответ на противоречие, сформулированное Эйгеном в п. 3:

Принцип максимума производства энтропии, введенный в моих работах [2] – [11], утверждает, что самоорганизация «для оптимальной способности отбора», вопреки утверждению Эйгена, есть самое общее свойство окружающей нас природы и материи. Поэтому существует два принципиально разных варианта дарвиновского отбора.

Первый из них есть именно и только выживание выживающих вне критериев совершенства взаимодействия с окружением. Он объясняет (в моей терминологии) переход системы через тупик равновесия – возникновение признаков и особенностей, необъяснимых на основе дарвиновского естественного отбора. Это отбор (в терминологии Эйгена) “для оптимальной способности <дальнейшего> отбора”. Им управляет принцип максимума производства энтропии, который есть принцип максимума способности к превращениям – “оптимальной способности отбора”.

Второй случай, подробно рассмотренный Дарвиным, есть оптимизация в процессе приближения к равновесию. Вопреки утверждениям Эйгена он направлен к остановке, к тупику равновесия.

Поскольку Эйген не считает “отбор для оптимальной способности отбора” законом природы, то он видит выход из положения в формулировке предпосылки о том, что “Отбор происходит среди особых веществ в особых условиях”.

В определении понятия – “особые вещества” конкретности у Эйгена нет. Он пишет – “Они являются носителями макромолекулярной информации, способными инструктировать свой собственный синтез”.

В качестве особых условий Эйген отмечает неравновесность живых систем. Он цитирует известную книгу [49] Э. Шрёдингера “Что такое жизнь?” – “Живая материя уклоняется от деградации к равновесию” и поясняет, что: “Равновесие (в изолированной системе) является состоянием с максимумом энтропии. Если мы удерживаем систему вдали от равновесия, то мы должны постоянно компенсировать продукцию энтропии, то есть мы должны «питать» систему свободной энергией (в виде макроэнергических веществ). Она используется системой для «управления» определёнными реакциями посредством удержания системы вдали от «увядания» до инертного или «мёртвого» состояния равновесия”. Математическое содержание работы Эйгена есть описание этого процесса при условии заданных волевым образом параметров “ценности информации” (жизнь и человек существуют на Земле, а потому в модели можно считать известной “цель” жизни и связанные с этим “ценности” без противоречий математическому аппарату Эйгена).

Мой ответ на противоречия, сформулированные Эйгеном в п. 4:

По вопросу об особых веществах.

Конкретное определение особых веществ – это те вещества, которые удовлетворяют принципу структурной комплементарности. Существование этого принципа задано иерархической энтропией на возрастающих уровнях – “элементарных частиц”, таблицы Менделеева, химических реакций (как реализации плотной упаковки и симметрий в 6N-мерном фазовом пространстве).

По вопросу о неравновесности.

Природа в процессе эволюции всех форм жизни, начиная от предбиологических, стремится к состоянию равновесия, возможному в данных условиях – стремится к экстремумам иерархической энтропии и её производства. Как правило, в результате возникает динамическое равновесие как промежуточный этап на пути к пределу статического равновесия. Но достижение равновесных состояний есть тупик эволюции. Он либо реализуется как таковой и данная форма жизни неизбежно вымирает за большое или малое время (при изменении внешних или внутренних условий), либо преодолевается на основе принципа максимума производства энтропии и даёт скачок перехода жизни к новым таксономическим градациям.

Поступление энергии в живые системы есть условие их существования не потому, что, как обычно считается, свободная энергия Гиббса обладает какими-то уникальными способностями нейтрализовать (компенсировать) рост энтропии. Для возникновения и существования жизни подвод энергии важен потому, что разрешает рост энтропии выше предела, который существовал в неживой природе данной планеты при отсутствии на ней жизни (см. главу VI).

В частных случаях жизнь как информация об индивидууме может принимать “неживую” равновесную форму и сохраняться в равновесной форме (см. главу V) в виде:

РНК и ДНК как статически равновесных химических молекул,

спор бактерий и простейших растений (или даже их семян),

половых клеток как динамического равновесия.

Один из результатов работ Эйгена заключается в введении понятия о гиперциклах. Гиперцикл есть форма выражения достаточно прозрачной общей идеи иерархичности как основы жизни. Но у Эйгена переход по ступеням иерархии гиперциклов волевой – путём изменения параметров “ценности информации” и списка “особых веществ”.

В моих работах главное в том, что иерархичность возникает самопроизвольно. Ступени иерархии в моей терминологии oтображают плоскости . “Внутренность” ступени иерархии задана процессами, направленными в сторону равновесия. Переход между ступенями – принципом максимума производства энтропии-информации.

Предбиологическая эволюция М. Эйгена есть модель, ограниченная его предпосылками. В моих работах дана другая – более полная и исчерпывающая модель возникновения и эволюции жизни, то есть установлены границы предположений его модели. Как я многократно подчёркиваю в своих работах – модель, для которой известны границы применимости исходных предпосылок, есть единственно возможная в науке форма “абсолютной истины” [2] – [11]. Как математический аппарат модель Эйгена позволяет эффективно решать практические задачи. Они должны быть поставлены в пределах заданного уровня иерархии энтропии-информации и содержать в себе предпосылку – цель эволюции.

Предбиологическая эволюция формирует вещества, способные к самовоспроизведению на основе гетерокатализа. На стадии предбиологической эволюции в определении жизни важнейшее есть возможность разных равноправных вариантов самовоспроизводящихся систем – запомненных случайностей, ограниченных условиями. Это отражает важнейшее для возникновения и эволюции жизни на только на стадии предбиологической эволюции, но и в дальнейшем.

Страница 21 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука