|
|
Страница 49 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наукаЭкстремумы, например, максимум энтропии есть кривые типа изображённых на рис. 4.1а. Формально понятие экстремум означает, что величина признака x0, которая на оси абсцисс отвечает максимуму энтропии, есть математическая точка. Она имеет окрестность. Экстремумы для разных процессов могут быть изображёны так, что максимум одинаков нормированы. Конкретно экстремумы энтропии острые. Это означает, что реализуются зависимости, которые на рис. 4.1а внутренние. Однако экстремумы типа рис. 4.1а могут наблюдаться человеком (или участвовать в процессах природы независимо от него) в разных относительных масштабах. Это показано на рис. 4.1б экстремум, “наблюдаемый издали” (из более старших иерархических ступеней синтеза информации), может на оси абсцисс описываться как предел в виде математической точки. Поэтому в природе состояния, детерминированные иногда с точностью до 12 знаков после запятой, реально есть экстремумы иерархической энтропии функции, описывающей случайности. Энтропия-информация есть определяющая физическая переменная для систем со многими элементами. Классический для физики пример таких систем есть газ и молекулы как его элементы. Для молекул газа человек является наблюдателем “издали”, находящимся на далёкой старшей ступени иерархии энтропии-информации. Максимум энтропии-информации при таких наблюдениях по своей остроте сопоставим с понятием предела в виде математической точки. Численный пример этого был дан в предыдущем параграфе. Острота максимума энтропии-информации для газов возникает не потому, что его молекулы сопоставимы с атомными размерами и в силу этого подчиняются атомным квантовым законам. Для любой ступени иерархии энтропии-информации в правой части (1.14) существует свой адиабатический инвариант Kk. Он сопоставим по величине с масштабами задач на этой ступени иерархии (внутри этой ступени иерархии всегда не мал). Он становится малым при наблюдениях “издали”. Человек по отношению к молекулам газа находится на огромном “иерархическом расстоянии”. Поэтому для него адиабатический инвариант газов в виде постоянной Больцмана есть число математическая точка. В науке даже речи нет о возможности отклонения величины постоянной Больцмана от известного точного числа. Тем более незыблемы с доступной сегодня человеку точностью такие адиабатические инварианты, как постоянная Планка или постоянная тонкой структуры. Однако всегда детерминизм, неизменность, точность величины этих постоянных задана случайностями, характерными для их иерархической ступени. Сегодня в физике точность измерений превышает точность расчётов на основе существующих теорий порядков на шесть. И тем не менее, этот детерминизм физических измерений в природе в конечном итоге возникает как итог случайностей, ограниченных условиями. Детерминизм природы и её фундаментальных постоянных может существовать потому, что в них, не менее чем за 12 знаком после запятой, есть неопределённость интервал аргументов, отвечающий экстремумам энтропии и её производства, а не идеализация в виде математической точки. Классический детерминизм и точность физических законов заданы этим. На иерархической ступени синтеза информации об адиабатических инвариантах, ответственных за существование жизни и разума, в частности самого человека, ситуация подобная, но количественно иная. Насколько бы ни был острым максимум энтропии-информации на этом иерархическом уровне, сами люди (как биологический вид и как сообщество индивидуумов) есть элементы, случайности для которых задают остроту этого максимума они сами “находятся в этом максимуме”. В результате отклонения от этого экстремума человек видит обязательно, повседневно ведь он сам и есть один из тех элементов системы, случайность поведения в которой он должен оценивать. Поэтому детерминизм жизни и разума обязательно сосуществует с наблюдаемыми случайными отклонениями от математической точки, сопоставляемой ответственному за него экстремуму. Но на каждом уровне иерархии адиабатический инвариант системы задаёт свои пороги вида (1.14). Это определяет детерминизм систем из многих элементов, несмотря на неустранимую случайность поведения их элементов. Плоскости постоянного адиабатического инварианта на рисунках в этой книге описывают количества энтропии-информации как функции комплексного переменного. В задачах эволюции жизни неустранимо участвует наблюдаемая человеком окрестность точки экстремума. Поэтому плоскости для них обязательно “имеют толщину”, что и изображено на рисунках в этой книге. Она задаёт количественно (исходя из “первых принципов”) существование тех порогов, которые необходимы для детерминизма процессов природы. В таком смысле “имеет толщину” сечение гауссовского распределения (рис. 3.3) и на рис. 3.4 траектории видообразования. Пример экстремума в виде синтеза информации об адиабатическом инварианте живой системы есть возникновение эукариотической клетки с кислородной основой энергетики: на языке информации кислородный обмен в эукариотической клетке характеризует число возможных случайных вариантов её реализации, из которых выживание выживающих запомнило единственный; на языке наблюдаемых признаков этому числу сопоставляются случайности, не выходящие за пределы известных порогов; на языке биологии и биохимии это есть морфологическое описание клетки или уравнения происходящих в ней реакций и формы участвующих в них биомолекул. Детерминизм природы, в частности жизни и её эволюции вплоть до разума человека, возможен потому, что существуют сохраняющиеся дискретные элементы в фазовом пространстве. Именно они и их иерархически изменяющаяся величина задают иерархически разные пороги случайных возмущений, без которых детерминизм природы невозможен. Это необходимо дополнить пояснением о роли в живых системах тех физических законов, которые понимаются в науке как однозначные. В живых системах (так же, как и в неживых) участвует однозначность физико-химических законов (как результат случайностей на далёких младших ступениях иерархии энтропии-информации). Но в неживых системах она “окончательна” для их уровня иерархии случайностей. Для живых систем однозначность физических и химических законов есть только одно из многих условий, ограничивающих случайности в процессе роста энтропии-информации. Жизнь, в частности с участием естественного отбора, запоминает для своих ключевых механизмов преимущественно случаи, когда однозначность физико-химических законов приводит к многовариантности конкретных реализаций объектов и процессов, в которых участвуют эти законы (к максимуму способности превращений). Соотношение законов и собственно информации в строгом виде описывается в терминах функций комплексного переменного и конкретно выражается числом (1.30) – семантическим коэффициентом. Например, кислородная энергетика жизни. В ней однозначные “неживые” условия есть свойства переходных металлов как химических элементов – существование для них разных валентностей. В частности, для железа (подробнее глава VI) это есть изменение электронного состояния его атомов (их валентности) вида: (4.1) обратимое отщепление или присоединение свободного электрона. Этот электрон может переноситься между биомолекулами с помощью цепочек подобных реакций. Реакции с изменениями валентности возможны для других металлов, например, для меди или хрома. Физико-химический “отбор” выделяет медь и железо из элементов с переменными валентностями как “рабочее тело” для кислородной энергетики живых организмов. Биологический естественный отбор ограничивает участие в этом меди и выводит на первый план железо. Однозначность выбора железа как “рабочего тела” ограничена условиями. Реакция (4.1) может протекать в растворах солей (электролитах) с участием железа в разных валентностях. Энергетические циклы метаболизма в электролитах неосуществимы (см. главу VI) Нужны биомолекулы как среда, в которой происходит перенос электрона. Такая среда допускает многозначность конкретных деталей кислородного метаболизма с участием атома железа. Эти детали могут быть разные у разных форм жизни. В этом участвуют случайности. С точки зрения физико-химических законов детерминизм жизни состоит в том, что, насмотря на случайности, реакция (4.1) должна произойти. С точки зрения самих случайностей детерминизм эволюции жизни в том, что эти случайности ограничены порогами – биомолекулы, участвующие в переносе электрона, не обязательно должны быть тождественно одинаковыми. Перенос электрона в кислородной энергетике жизни осуществляют цитохромы. Случайности выражаются тем, что в цитохромах как биомолекулах, участвующих в тождественных химических реакциях, возможны разные замещения аминокислотных остатков. Существование порога должна выражать указанная выше тождественность реакций. Такие случайности и такие пороги в живых организмах действительно существуют и экспериментально исследованы на молекулярном уровне (на примере реакции (4.1)). Их описал в 1968 г. М. Кимура, а также Дж. Кинг и Т. Джукс (обсуждение см. у М.В. Волькенштейна в [95]). Они названы нейтралистскими изменениями, так как для отбора нейтральны. Их задают точечные мутации в ДНК. В связи с нейтралистскими изменениями констатируется, что существуют не приспособительные отличия организмов, которые, не имеют цели (в биологии её навязчиво хотят видеть). В связи с ними вводят понятие нейтралистская теория отбора. Этот термин подразумевает, что нейтралистские изменения есть те случайности, накопление которых с помощью отбора приводит к новым признакам видов или новому видообразованию. В рамках терминов и решений этой книги нейтралистские изменения форм жизни – это есть доказательство существования порогов случайных изменений, то есть экспериментальная констатация факта детерминизма эволюции жизни, не требующего существования цели эволюциии. Нейтралистские изменения есть отображение консерватизма форм жизни. Они сугубо приспособительные в том смысле, что согласуют единые механизмы, например, кислородного обмена с мелкими, неустранимо разными деталями биохимии конкретных видов жизни. Однако, например, в синтетической теории эволюции жизни их считают основой для отбора – смотрите, вот пример случайностей, которые не мешают организму, а потому отбор может ждать, когда они станут “хорошими” для образования новых видов. Это не так. Уродства форм жизни, совместимые с выживанием (а потому нейтральные) есть задатки для возникновения новых выживающих видов – отбора. Нейтралистские изменения – нет. Они есть констатация – человек сам есть “участник” экстремума энтропии-информации, а потому он видит случайный разброс вблизи экстремума. Разброс не есть независимо случайный. Он ограничен и взаимосвязан порогами типа (1.14). Он доказывает детерминизм форм жизни как следствие существования этих порогов. В книгах и обзорных статьях в качестве примера нейтралистских изменений обычно приводят результаты Дикерсона [95], который исследовал методом гель-электрофореза полиморфизм белка – цитохрома с – у форм жизни на разных ветвях биологической эволюции. Как белок цитохром с есть “оболочка-носитель” атома железа, участвующего в реакциях переноса электрона типа (4.1). Цитохром с, как и все белки-ферменты, содержит активный центр (задающий их каталитическую специфику) и окружающую его “пассивную” структуру из аминокислотных остатков. В ней по отношению к каталитической активности белка важнейшее есть её пространственная организация – конформация. Эукариотическая клетка получила кислородную энергетику путём поглощения какого-то прокариота. Возник симбиоз производителя энергии в виде прокариота-митохондрии, имеющего свою ДНК, и клетки, содержащей отделённое мембраной ядро с другой, ядерной ДНК. В исторически последующих (простейших и многоклеточных формах жизни) в силу иерархичности роста энтропии-информации этот симбиоз и его результаты используются как “стандартный” элемент.
На рис. 4.2 показано эволюционное дерево с объектами от древнейших одноклеточных до человека. Кислородная основа метаболизма есть их общая особенность. В предыдущей главе было рассмотрено макроскопическое действие физических законов при переходе животных с кислородной энергетикой – рыб – в воздушную среду и далее к млекопитающим, включая их обратный переход в воду. Таксономические градации, образовавшиеся в процессе этих переходов, есть и на рис. 4.2. Митохондриальное осуществление кислородной энергетики жизни (реакция типа (4.1) с участием цитохромов и других биомолекул) есть как функционально, так и в деталях, сложный результат на внутриклеточном уровне. Он обязательно должен быть запомнен как целое – слишком велико количество информации, синтез которой его создал. Эволюция не в состоянии каждый раз повторять его заново. Однако на рис. 4.2 ветвления включали в себя изменение внешних условий клеточного метаболизма. “Готовый” элемент требовал “подгонки” к новым объектам. Само его воспроизведение неизбежно включало в себя “технологические” ошибки. Это нашло своё выражение, в частности, в замещениях аминокислотных остатков в молекуле цитохрома с. Аминокислоты и их остатки есть “атомы” на уровне ступеней иерархии, ответственных за жизнь. Белки-ферменты состоят из нихаминокислотных остатков. Количество замещений “атомов” в них в функции так
Обратите внимание. Морфологически, по внешним признакам корова и кит несопоставимы. Несопоставима среда, в которой они существуют. Общее у них кислородный энергетический метаболизм, казалось бы, в несопоставимых условиях водной и воздушной среды. Но отличия в замещениях аминокислотных отстатков в важнейшем для кислородного метаболизма белке-цитохроме с всего два и оба в “пассивной” части белка. Кстати, современные исследования показывают уникальную близость ДНК кита и коровы. Итог – разная среда может приводить к несопоставимо разным морфологическим отличиям при малых изменениях ДНК и ключевых биохимических процессов. В этой и предыдущих работах [2] [11] многократно подчёркнуто, что отличия по количеству информации в ДНК внутри ступеней иерархии убывают по мере роста ветвлений эволюционного дерева. Это подтверждают и нейтралистские изменения цитохромов. Они максимальны для простейших организмов между, например, нейроспорой и дрожжами (рис. 4.3). Но между коровой и китом они ничтожны. Нейтралистские изменения на примере цитохрома с показывают, что эволюция жизни есть детерминированный процесс потому, что возможны изменения белковых молекул, которые не меняют их функций в реализации физических законов. Результат синтеза информации на далёких предыдущих ступенях иерархии может сохраняться как целое во многих последующих ступенях, несмотря на морфологическое существенное различие видов – это и есть истинный детерминизм жизни. В этом примере в молекуле цитохрома с (как составляющей “рабочего тела” кислородных циклов энергетики жизни) аминокислотные остатки могут быть замещены на треть – молекула в своей значительной части стала другая – но свои функции в процессе переноса электрона она сохраняет. При этом обязательно в других своих свойствах и функциях клетка, использующая эти цитохромы, совместима с организмом как целым – она ведь иная. Её нейтралистские изменения могут быть описаны гауссовскими независимыми случайностями (что есть экспериментальный факт, см. ссылку на работу О.Б. Птицына в [95]). Однако в организме как едином целом они есть приспособительные изменения потому, что без них клетка окажется невыживающей в организме, а это часто гибель организма, его отбраковка естественным отбором. В этом нейтралистские изменения цитохромов подконтрольны выживанию выживающих – они отображают пороги, необходимые для детерминизма данного вида. Но одновременно существенные морфологические изменения видов могут быть не связаны с большими изменениями в цитохромах. Нейтралистские изменения случайны в гауссовском смысле, но одновременно они не есть независимые случайности, которые безразличны для выживания выживающих. Фенотипические изменения невозможны без внутриклеточных биохимических изменений. Какие-то из случайностей в них первично гауссовские Но в метаболизме взаимосвязи конкретные и сложные. Любая одна гауссовская случайность вызывает закономерные множественные изменения других реакций и процессов. Их внешнее сопоставление в разных организмах может выражаться гауссовским распределением. Однако это распределение продиктовано закономерными взаимосвязями. Вульгарной связи между биохимией и наблюдаемыми внешними признаками нет – биохимические изменения конкретны и адресны не всегда очевидным для человека образом. Задумайтесь над тем, что такое хорошо известная иммунологическая несовместимость? Функциональная тождественность в пределах вида некоторого органа из особи-донора подтверждена его нормальной работой сразу после хирургической пересадки в организм другой особи. Однако эти особи по своей биохимии не могут быть тождественными, так как существует нейтралистский случайный разброс в их реализации. Результат – орган не может функционировать в почти тождественной, но другой особи. Он гибнет. Без этого детерминизм жизни невозможен. Сравните с предыдущим. Случайности, ответственные за иммунологическую несовместимость – гауссовские, но в организме как целом они не есть независимые. Малые случайные отличия биохимии клетки в пределах каждого одного организма закономерно взаимосогласованы. Среди них некоторое отличие возникло как гауссовская независимая случайность. В результате биохимической взаимосогласованности многие из других отличий также можно описать нормальным гауссовским распределением (возможно, приближённо). Но его гауссовская форма в этом случае есть индуцированное следствие взаимосвязанных закономерностей, а не выражение независимых случайностей. При пересадке органов у организма-донора и организма-реципиента существуют различия (случайные первично, но закономерно связанные в комплексе). Невозможность описания жизни на основе независимых случайностей выражает отторжение пересаженного органа – иммунологическая несовместимость особей внутри биологического вида. Законно применить к отличиям, определяющим иммунологическую несовместимость, термин – нейтралистские изменения. Однако они таковыми в строгом смысле не являются. Их согласованность в пределах одного организма есть результат действия отбора из взаимосвязанных случайностей. Между разными особями такого согласования нет. Разные особи прошли свой индивидуальный путь микроотбора. Результат – орган одной особи не заменим тождественным ему органом другой. Чужой орган уничтожается даже ценой собственной жизни особи. Случайности организмов и их метаболизма с точки зрения принятой в биологии (но ложной) концепции существования цели эволюции, могут быть названы нейтралистскими – всегда существуют отклонения в морфологии и метаболизме особей, которые не могут быть объяснены концепцией цели. Однако они не есть и не могут быть нейтрально безразличными для организма. Даже если они малые, особь может ответить на них не только своей гибелью до наступления периода размножения, но и путём задержанной гибели – уменьшения срока жизни (системных болезней). Нейтралистские в таком смысле мутации поступают в общий генофонд для отбора особей, не затрагивающего признаки вида в целом. Это подобно независимым случайным отклонениям типа известных инженерам “допусков и посадок”, отражающих неизбежные отклонения-ошибки при изготовлении деталей. Они не должны выходить за пределы, которые совместимы с работоспособностью изделия в целом. Однако в биологии (в отличие от инженерной практики) “допуски и посадки” должны быть заданы “первыми принципами”. Главнейший из них есть формирование адиабатического инварианта системы на основе принципа максимума производства энтропии. Окрестность вблизи экстремума, который реализует этот принцип, есть главный источник “допусков и посадок” и главный их контролёр. Физически им соответствует “толщина” плоскости синтеза информации. Биохимически им отвечают редкие по отношению к временам эволюции и малые по величине изменения в активном центре тех белков, которые при этом не меняют своих свойств и функций по отношению к ключевым для них реакциям. В инженерной практике, когда невозможно или дорого поддерживать высокую точность изготовления деталей, используют их сортировку – разбивают детали на группы по отклонениям размеров с последующей сборкой, при которой отрицательное отклонение деталей из одной группы компенсируется выбором деталей из группы с положительной ошибкой. Подобное для жизни реализуют нейтралистские изменения. Наблюдается это как иммунологическая несовместимость. Как подчёркивалось в начале этого параграфа, находясь на уровне иерархии, отвечающем человеку, невозможно наблюдать (хотя бы пока) окрестность экстремума на атомном уровне. Это отражает общеизвестный факт, что на уровне реализации химических связей не возникает проблемы “допусков и посадок”. Квантовые законы энергетических уровней атомов, правила валентных, ковалентных и водородных связей, конформационных изменений есть автоматический, из “первых принципов” учёт “допусков и посадок” на атомном уровне. Однако реализация иерархии роста энтропии-информации даже в этом – просто в химических связях – такие проблемы может создавать. В главе II упоминалось про углеродный изотопный метод определения палеонтологического возраста живых организмов. Ничтожное отличие “размеров” изотопов углерода не может проявиться на уровне химических связей при одиночных реакциях. Но на высоких ступенях иерархии энтропии-информации ошибка ничтожных отличий “размеров” атомов-изотопов накапливается – многоступенчатая “кристаллическая симметрия” нарушается. В биохимии жизни равноправие этих изотопов ограничивается. Возникает фиксированное соотношение количеств основного атома углерода 12С и его изотопа 13С – “допуски и посадки” реализуются даже на уровне исходных основ биохимии жизни. Поясню ещё более явно инженерную аналогию рассказанного. В строительстве, в инженерной практике иерархия понимается как существование простейших стандартных деталей – кирпичей заданного размера и свойств, болтов, гаек, транзисторов, микрочипов и других “покупных деталей”. Их сборка создаёт изделия. В результате в данный отрезок времени автомобили, телевизоры, видеомагнитофоны одинакового потребительского класса примерно одинаковы, хотя различны по внешнему виду и второстепенным особенностям. Их детали-составляющие функционально одинаковы, но не могут быть взаимозаменяемыми. Инженер использует на старшей ступени иерархии (в итоговом изделии) похожие (но в мелких подробностях разные) составляющие в виде деталей и изделий предыдущего уровня иерархии. Нет этих составляющих в нужном виде – итоговый продукт не может быть реализован. Например, одни и те же болты и гайки могут быть заложены в проект в метрическом или дюймовом стандарте (в Америке это массовая практика). Замена болта на похожий по размерам из другого стандарта не скажется на работоспособности изделия в целом. Но она невозможна без одновременной замены и гайки. Нет возможности произвести такую комплементарную замену – изделие выбрасывается на помойку. Эта инженерная особенность справедлива при образовании особей и видов живых организмов. Только инженера-творца над этим нет. То, что делает инженер, происходит самопроизвольно в силу случайностей и контроля над ними в виде механических, физических, химических законов с последующим естественным отбором – синтезом информации как функции комплексного переменного. Нейтралистские изменения, показанные на рис. 4.3, есть результат такой самопроизвольной (с участием естественного отбора) подгонки для использования однотипных деталей из разных стандартов – использование “метчика и плашки” по отношению к “гайкам и болтам” жизни. Эволюция жизни есть детерминированный процесс потому, что случайности на старших уровнях иерархии могут быть скомпенсированы самопроизвольными случайными изменениями “болтов и гаек” – элементов предыдущих уровней иерархии. В параграфе о мутациях главы V я подробнее вернусь к этим вопросам. Здесь ещё раз отмечу, что “неточность изготовления” на атомном уровне ограничена квантовыми законами – существованием адиабатических инвариантов тех предыдущих уровней иерархии энтропии-информации, которые поставляют “покупные детали”. Они часто иерархически далеки, а потому “неточность изготовления” на уровне элементарных химических реакций и физических процессов чаще всего пренебрежимо мала. В первой книге этого цикла [11] в связи с определением детерминизма приводилась наглядная аналогия – “строительным материалом” природы в фазовом пространстве являются нерастяжимые “мешки”, иерархически разных размеров. Случайные изменения “размеров мешков” иерархически младших адиабатических инвариантов с “высоты” уровня иерархии жизни и человека практически ненаблюдаемы. Для ступеней иерархии жизни они проявляются в виде малых изменений, например, в активных центрах белков. Но на всех уровнях иерархии “мешки” имеют плотную упаковку, при которой они обязательно деформируются взаимосогласованно. Нейтралистские изменения при эволюции жизни отображают собой оба эти процесса. Квазикристаллы (глава VI) есть отвечающие им физические формы. Не имеющие цели, в меру вредные для организма излишества (уродства как функционально замкнутые процессы и органы) могут возникать нейтральным образом у индивидуумов и видов, если они не препятствуют выживанию выживающих. Нейтралистского произвола в деталях при взаимодействиях органов внутри организма – нет. Это и есть конкретное выражение детерминизма жизни и её эволюции – возможны случайности, не меняющие результат глобально (пороги), но создающие малые его отличия – подпороговые изменения. Нейтралистские изменения и возникающая как их следствие иммунологическая несовместимость есть феноменологическое выражение неопределённости (1.14) на уровне организма в целом. Категория: Библиотека » Философия Другие новости по теме: --- Код для вставки на сайт или в блог: Код для вставки в форум (BBCode): Прямая ссылка на эту публикацию:
|
|