CC BY
147
ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 7. ФИЛОСОФИЯ. 2017. № 5
ФИЛОСОФИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ НАУКИ
H.В. Жульева*
ПОНЯТИЯ «САМООРГАНИЗАЦИЯ» И «ЭНТРОПИЯ»
КАК КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ В БИОФИЗИКЕ
Эволюция проблемы определения жизни сквозь призму физических законов рассмотрена через функционирование понятий «энтропия» и «самоорганизация» в биофизике. Данные понятия концептуализируют эту проблему как термодинамическую и намечают возможные способы ее решения.
Ключевые слова: самоорганизация, энтропия, биофизика, термодинамика, жизнь.
N.V. Z h u l y e v a. The concepts «self-organization» and «entropy» as conceptual means of representation of the thermodynamic problem in biophysics
The evolution of the problem of definition of life through physical laws is considered by using the concepts «entropy» and «self-organization» in biophysics. These concepts conceptualize this problem as a thermodynamical one that may give possible ways to solve it.
Key words: self-organization, entropy, biophysics, thermodynamic, life.
I. Термодинамическая проблема
Сложно сказать, кто первый определил проблему жизни в контексте физики. Попытки разгадать загадку живого, найти в нем закономерные и физические свойства, начались уже в Античности. Л.А. Блюменфельд отмечает, что, «вероятно, первым, кто сказал, что живые объекты подчиняются тем же законам и содержат те же частицы материи, что и неживые, был греческий философ Эпикур» [Л.А. Блюменфельд, 2002, с. 9]. Крупным вкладом в развертывание проблемы живого стало понятие «энтелехия» Аристотеля — некоторая внутренняя сила, в которой потенциально содержится цель и результат и которая определенным образом характеризует живые объекты.
* Жульева Нина Викторовна — аспирант кафедры философии и методологии науки философского факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, тел.: +7 (909) 630-96-85; e-mail: nina_rossia_mir@list.ru
Новое время с новой механикой дало мощный импульс для попыток объяснить жизнь средствами физики. Представление животных в качестве механических автоматов у Р. Декарта имело далеко идущие последствия [там же, с. 9—10]. Эта идея, развитая впоследствии Ж. Ламетри, надолго определила механистический подход к объяснению жизни. Однако все эти фрагментарные идеи и опыты не позволили создать некую стройную рабочую научную теорию, ни биологическую, ни тем более биофизическую. Развивавшийся параллельно витализм, берущий свое начало от «энтелехии» Аристотеля, отстаивал, наоборот, идею автономии жизни, несводимости жизненных процессов к физическим законам, животного — к механизму и апеллировал к фактам регенерации поврежденных тканей и реституции. Но характер виталистических обобщений также не дает нам право говорить о создании ими какой-то научной рабочей биологической теории, что признают более поздние виталисты вроде Г. Дриша [Г. Дриш, 1915, с. 30, 133, 150]. Важную роль сыграли работы Л. Гальвани в XVIII в., экспериментально открывшего «животное электричество» — действие электричества на сокращение мышц, после чего сложно было говорить, что области биологии и физики никак не связаны между собой. Однако неприятие результатов опытов Гальвани в течение продолжительного времени показывает, что на уровне здравого смысла области физики и биологии многим казались настолько не соотносимыми, что даже такие красивые эксперименты были поставлены под сомнение.
Вывести дискуссию на новый уровень помогли второй закон термодинамики, обобщенный до идеи «тепловой смерти» Вселенной [П. Шамбадаль, 1967, с. 59], и теория естественного отбора, придавшая вместе с биологической систематикой законосообразность биологии [Э.С. Бауэр, 1935, 4]. Согласно закону, все в этом мире стремится к максимизации энтропии, т.е. к увеличению беспорядка, а в соответствии с теорией жизнь развивается от простых к более сложным и организованным формам, демонстрируя законосообразное увеличение организованности и порядка. Попросту говоря, безграничная власть физики с ее вторым законом термодинамики входит в противоречие с теорией эволюции и феноменом жизни. Обе теории по отдельности имеют в своих областях огромный объяснительный потенциал, а вместе они более четко поставили вопрос о сущности жизни: либо жизнь — это такая область Вселенной, на которую не распространяются стройные законы физики, либо что-то не так в самой физике.
Так или иначе, но к началу XX в. возрастает число противников как термодинамического объяснения процессов во Вселенной, так
и эволюционной теории. Витализм, разбитый, казалось бы, эволюционной теорией, выходит на новый виток развития, выступая против дарвинизма с его случайностью и статистикой и опираясь на факты формообразования и регенерации как доказательство автономии жизни. Г. Дриш, формулируя свою систему витализма, замечает, что уже факт индивидуального развития и дифференцирования клеток находится, на первый взгляд, в явном противоречии со вторым законом термодинамики, а сама жизнь может быть объяснена только через понятие «энтелехия» как фактор гармоничности и внутреннего стремления к цельности [Г. Дриш, 1915, с. 159, 177, 259—260]. А. Бергсон критикует и второй закон термодинамики, называя его за универсализацию и однозначность «тепловой смерти» Вселенной «самым метафизическим законом из всех законов физики» [А. Бергсон, 1999, с. 268], оспаривая идею, что естественный отбор может быть не только механизмом, но и движущей силой эволюции [там же, с. 81—85]. Говоря о «жизненном порыве», Бергсон становится в оппозицию и к теории естественного отбора, и ко второму закону термодинамики. Жизненный порыв как некая внутренняя сила, стремление к развитию, к жизни, по его мнению, только и может являться движущей силой эволюции. Жизненный порыв в некотором смысле можно сравнить с энтелехией, хотя энтелехия Дриша применима только к индивидуальному развитию и фактам регенерации, а не к эволюционному развитию, однако мы можем проследить тем самым некоторую тенденцию видения живого, находящего свой источник движения и развития в себе самом.
Русский физик Н.А. Умов в речи «Физико-механическая модель живой материи», произнесенной на первом собрании XI съезда Русских естествоиспытателей и врачей в Петербурге в 1901 г., отмечает: «Конечный результат всех процессов природы — увеличение нестройности или, как говорят, рост энтропии». [Н.А. Умов, 1916, с. 192]. То есть он признает за природой действие второго закона термодинамики и его универсальность. При этом Умов вводит «позитивное» понятие «стройность», апеллируя к интуитивному пониманию носителей русского языка: «Стройность есть необходимый признак живой материи. Эволюция живой материи в общих чертах увеличивает количество и повышает качество стройностей в природе» [там же, с. 194]. Можно интерпретировать это феноменологически: жизнь, как она доступна нашему созерцанию, противостоит универсальности второго закона, эволюционируя к порядку, организации, а не к хаосу.
Таким образом, классическая термодинамика, с одной стороны, и ее критика — с другой, позволили представить проблему опреде-
ления жизни сквозь призму физических законов как термодинамическую проблему. Ее можно сформулировать следующим образом: как возможно возникновение организованной жизни в условиях действия второго закона термодинамики? С точки зрения классической термодинамики, «все стремится к максимизации энтропии» и не может переходить из менее упорядоченного в более упорядоченное состояние без внешней энергии, само по себе, без внешнего (нашего) участия. То есть если предоставить системе действовать так, как она сама того хочет, она придет в состояние термодинамического равновесия. Но в таком случае зарождение и эволюция жизни представляются чем-то невероятным.
Биофизика, являясь такой научной дисциплиной, которая стремится распространить физические законы на биологическую область, не может обойти термодинамическую проблему.
Начинается биофизика как прикладная дисциплина, решающая конкретные прикладные и экспериментальные задачи, однако не имеющая фундаментальной научной теории, о чем свидетельствует, в частности, нерешенность термодинамической проблемы. Это можно инструментально принимать как данность, но некоторый реалистичный научный пафос порождает стремление создать фундаментальную биофизическую теорию, которая объяснила бы предметное поле биофизики цельным, а не фрагментарным образом, и, таким образом, позволила бы разрешить термодинамическую проблему. С этой целью биофизика принимает на некоторых этапах своего развития определенные объяснительные схемы, взятые из теорий, развитых в других областях физики. Так, классическая термодинамика и статистическая механика при переносе на биологическую область дают биофизике парадигмальную объяснительную схему, основанную на понятии «энтропия».
2. История понятия «энтропия»
Понятие энтропии вводится в 1865 г. Р. Клаузиусом в одной из формулировок второго закона термодинамики [Р. Клаузиус, 1934, с. 133—143]. Энтропия в понимании Клаузиуса имеет функциональное значение: это математический параметр, характеризующий отклонение системы от начальной точки в цикле Карно [П. Шам-бадаль, 1967, с. 58—59]. В обратимом процессе изменение энтропии системы равно нулю. Из-за неидеальности и необратимости реальных процессов никогда не удается вернуть газ к изначальному состоянию, поэтому изменение энтропии будет больше нуля. На наш взгляд, именно на этом основании и делается обобщающий вывод, что «энтропия мира стремится к максимуму» [Дж.В. Гиббс, 1982,
с. 61] 1, хотя этот скачок кажется не очень правомерным. Проблема с понятием «энтропия» возникла сразу с появлением самого термина. Являясь чисто математическим выражением, оно было трудным для трактования и для выражения его физического смысла. Определенный этап в этом деле в 1872 г. наметил Л. Больцман, связав энтропию с вероятностью. Он взял за основу термодинамики кинетическую теорию газов, представление о тепловом и случайном движении атомов или молекул газа, которое можно подсчитать статистически. Энтропия у Больцмана оказалась связанной логарифмически с термодинамической вероятностью — наиболее ожидаемым термодинамическим состоянием. И только на этом этапе энтропия начинает представляться как мера беспорядка. Наиболее вероятное состояние, согласно здравому смыслу, — это преимущественно беспорядочное состояние, а значит, энтропия — это мера беспорядка. Сложно сказать, кому именно принадлежит этот «скачок» энтропии к беспорядку, однако космологические представления Больцмана развиваются в этом направлении. И это видение энтропии закрепилось. В 20-е гг. XX в. А. Эддингтон и его современники «рассматривают энтропию под иным углом зрения: теперь энтропия уже не служит мерой энергии, необходимой для возвращения данной системы в некоторое начальное состояние, а стала мерой беспорядка, царящего в системе и, следовательно, мерой неопределенности наших знаний внутренней структуры системы» [П. Шамбадаль, 1967, с. 248].
Надо сказать, что такое понимание физического смысла энтропии и его универсализация на всю Вселенную (что привело к идее «тепловой смерти» Вселенной) уже при своем создании имели противников. Возражения против концепции движения Вселенной к «наиболее вероятному» состоянию, а также против связи «наиболее вероятного» с «наименее упорядоченным» витали в воздухе, находя выражение в парадоксах Лошмидта и Максвелла [там же, с. 166—169, 203—207]. Главным же аргументом против универсализации закона энтропии был и остается феномен жизни. Но все эти выпады против энтропии хоть и имели свою логику, но не были подтверждены строгостью математической формулировки и теоретической разработанностью, и потому не помешали «победному шествию» второго закона термодинамики. Закон, открытый для изолированной системы газов, приобрел силу универсального закона. Теперь «все стремится к максимизации энтропии». Мы можем рассуждать о неправомерности такой универсализации, но она
1 Цитируется по: [Дж.В. Гиббс, 1982, с. 61].
свершилась и неизбежно привела к необходимости согласовать феномен жизни с универсальным физическим законом.
И вот только в 1944 г. Э. Шредингер в труде «Что такое жизнь с точки зрения физики» дает объяснительную схему жизни через понятие энтропии. Эта работа стала теоретическим обобщением так называемой «зеленой тетради» Н.В. Тимофеева-Ресовского, К.Г. Циммера и М. Дельбрука — экспериментального исследования, опубликованного в 1935 г. [Л.А. Блюменфельд, 2002, с. 11].
Проблема определения жизни в противостоянии закону энтропии и статистическим принципам была сформулирована Э. Шре-дингером. Он пишет: «...невероятно маленькие группы атомов, слишком малые, чтобы они могли проявлять точные статистические законы, играют главенствующую роль в весьма упорядоченных и закономерных явлениях внутри живого организма» [5. Шредингер, 2009, с. 44]. В некотором роде можно признать, что в этой цитате для Шредингера и скрывается сущность жизни как некоего упорядоченного процесса, который невозможно описать средствами физики, ведь «законы физики, как мы их знаем, это статистические законы. Они связаны с естественной тенденцией вещей переходить к неупорядоченности» [там же, с. 120]. Так, проблема, стоявшая и у создателей второго закона, и у его критиков, вырисовывается в концепции ученого уже более четко.
Э. Шредингер признает универсальность второго закона термодинамики: «Каждый процесс, явление, событие — назовите это, как хотите, — короче говоря, все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части мира, где это происходит. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энергию — или, говоря иначе, производит положительную энтропию и таким образом приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, которое представляет собою смерть» [там же, с. 124]. Но Шредингер идет дальше, давая определенное решение сложившейся проблемы: «Он может избегнуть этого состояния, то есть оставаться живым, только путем постоянного извлечения из окружающей его среды отрицательной энтропии, которая представляет собой нечто весьма положительное, как мы сейчас увидим. Отрицательная энтропия — вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив» [там же]. В этой ключевой фразе и содержится схема, ставшая парадигмой для биофизики на долгое время, примирившая, но не позволяющая согласовать феномен жизни с имеющимися физическими законами. Это пока лишь один из вариантов решения проблемы, которого
явно недостаточно. Ясно одно: вводится понятие «отрицательная энтропия», которое и характеризует упорядоченные процессы. Жизнь регулируется за счет выброса энтропии в окружающую среду (или питания отрицательной энтропией) так, что общая энтропия системы все равно повышается и противоречия второму закону как бы не наблюдается.
Данная схема, помогая избежать лишних вопросов, становится доминирующей. Она воспроизводится в учебных пособиях. Так, например, в учебнике М.В. Волькенштейна «Общая биофизика» 1978 г. положение о том, что «развитие организма... оплачивается возрастанием энтропии в окружающей среде», признается «безусловно правильным» [М.В. Волькенштейн, 1978, с. 91]. Также его автор сохраняет уже установившееся представление об энтропии как мере беспорядка: «Увеличение энтропии выражает возрастание неупорядоченности системы» [там же, с. 83]. Вместе с тем Воль-кенштейн утверждает, что, «обращаясь к биологии, мы должны оценить смысл и эффективность понятия энтропии для открытой системы» [там же, с. 87]. Таким образом, можно видеть сохранение и объяснительной схемы жизни через энтропию, и обозначенной термодинамической проблемы, но можно отметить и небольшой сдвиг программы, ибо об открытых системах у Шредингера разговор не шел.
Однако универсальное определение энтропии все равно противоречит феномену жизни, которая представляется упорядоченной. Молекулы газа, помещенные в замкнутую емкость, распределятся по ней равномерно, придя к термодинамическому равновесию. Кошка же останется кошкой, а не размажется по всему объему этой емкости. Это происходит потому, что кошка, как и любой другой живой организм, представляет собой систему связанных, а не свободных элементов, и этот факт нельзя обойти при определении жизни. И именно универсализация второго закона термодинамики позволяет вскрыть проблему определения жизни на новом уровне концептуализации.
П. Шамбадаль так говорит о проблеме жизни: «Вмешательство второго принципа позволяет, таким образом, уточнить и иллюстрировать трудности, возникающие с незапамятных времен перед человеческим разумом, но не дает возможности их разрешить» [П. Шамбадаль, 1967, с. 275]. Можно полагать, что схема Шредин-гера лишь спасает явление без принципиального решения проблемы несоответствия жизни физическим законам и недостаточности имеющихся физических теорий. Это подчеркивают и Шредингер, и Волькенштейн, а схема Шредингера только откладывает решение проблемы.
3. История понятия «самоорганизация»
Исследования И. Пригожина с 60-х гг. XX в. позволили снова актуализировать термодинамическую проблему биофизики. При-гожин строит схему, в которой жизнь вписывается в физические законы, вытекает из них, а не борется с ними. В неживой природе так же, как и в живой, он обнаруживает путь «от хаоса к порядку» [И. Пригожин, И. Стенгерс, 2014, с. 25]. Таким образом, новый диалог с природой обещает у Пригожина найти единую картину мира без явных или затушеванных противоречий. И в этой схеме появляется понятие самоорганизации как описательное и объяснительное понятие физики открытых систем, правда, пока еще без четкого математического выражения.
Считается, что понятие «самоорганизация» ввел в оборот У.Р. Эшби в связи с теорией информации в статье «Принципы самоорганизации динамических систем» («Principles of the self-organizing dynamic system» [W.R. Ashby, 1947]). Но прямой связи между Эшби и биофизиками не прослеживается, поэтому история употребления этого понятия в биофизике начинается скорее с работ Пригожина. Хотя определенные параллели можно провести и с введенным Умовым понятием «стройность» как признаком живого.
Именно с работ Пригожина в биофизике начинает оформляться новая объяснительная схема как ранее не известная парадигма. По мнению Шредингера, физический мир не обнаруживает стремления к упорядоченности, что является неотъемлемым признаком живого. Открытие же периодической химической реакции, или реакции Белоусова-Жаботинского (1951—1969)2, поставило под сомнение эту очевидность. Созданный Пригожиным математический аппарат и расчет поведения диссипативных структур обозначили и в неживой природе способность к упорядоченности и позволили заново поставить вопрос о согласовании живого и неживого, жизни и физики.
И. Пригожин в соавторстве с И. Стенгерс пишет: «Разумеется, проблема происхождения жизни по-прежнему остается весьма трудной, и мы не ожидаем в ближайшем будущем сколько-нибудь простого ее решения. Тем не менее, при нашем подходе жизнь перестает противостоять "обычным" законам физики, бороться против них, чтобы избежать предуготованной ей судьбы — гибели. Наоборот, жизнь представляет перед нами как своеобразное проявление тех самых условий, в которых находится наша биосфера, в том
2 Эта реакция была открыта Б.П. Белоусовым в 1951 г., однако долго не признавалась. К 1969 г. А.М. Жаботинский описал ее механизм, и именно после этого открытие было признано. Подробнее об этом см.: [ПеченкинА.А. 2012. № 1, с. 28—41].
числе нелинейности химических реакций и сильно неравновесных условий, налагаемых на биосферу солнечной радиацией» [И. При-гожин, И. Стенгерс, 2014, с. 26—27]. Мы отчетливо можем видеть в приведенной цитате принципиальный отход от схемы, данной Шредингером. Выступления против «обычных» законов физики есть борьба против энтропии, как и утверждал Шредингер. Принципиальный отход состоит в изменении физических представлений, в признании, что и физический мир не так прост, как это кажется при универсализации простейших случаев применения фундаментальных законов физики. Например, замечание Приго-жина: «Без неравновесности и связанных с ней необратимых процессов Вселенная имела бы совершенно иную структуру. Материя нигде не встречалась бы в заметных количествах» [там же, с. 195]. Таким образом, при абсолютном господстве законов равновесной термодинамики не было бы не только жизни, но и никаких галактик как скоплений вещества.
Такое изменение взгляда на мир дает возможность увидеть упорядоченные структуры и в физическом мире, искать общие принципы формирования порядка, единые для всех областей, обнаруживая тем самым имеющую большое значение схожесть образования физических и биологических структур. Это и есть принципиальный поворот, позволяющий сформировать новую объяснительную схему, выступающую отныне как парадигма. Теперь не биология должна подстроиться под физику, редуцироваться до термодинамического равновесия, а физике следует измениться так, чтобы суметь объяснить образование упорядоченных структур, в том числе и биологических. Шредингеровское признание недостаточности физики для объяснения биологии теперь получило некоторое направление развития.
Эту тенденцию «к порядку», на основании которой меняется парадигмальная объяснительная схема, можно проследить через употребление понятия «самоорганизация». «Основная проблема как химии, так и медицины состоит в том, чтобы заменить инертную материю активной, способной самоорганизовываться и производить живые существа» [там же, с. 81]. Самоорганизация предполагается как некоторое свойство не только живой материи в противовес неживой, но и всей материи, которая способна на определенном этапе произвести жизнь.
Теперь объяснительная схема предметного поля биофизики может быть выражена так, что она «охватывает изолированные системы, эволюционирующие к хаосу, и открытые системы, эволюционирующие ко все более высоким формам сложности» [там же, с. 248]. В ней фиксируется принципиальный сдвиг, разделяя мир
не на живое как упорядоченное и неживое как хаотичное, а на изолированные как стремящиеся к хаосу и открытые как стремящиеся к порядку системы. Такое разделение показывает изменение взгляда на весь мир. Если для Клаузиуса («...энергия мира постоянна»3) или Больцмана («.можно представить себе вселенную как механическую систему, которая в общем везде находится в тепловом равновесии» [Л. Больцман, 1953, с. 525]) Вселенная представлялась скорее изолированной системой, то в новой объяснительной схеме она предстает как открытая система, состоящая из других открытых систем.
Подтверждение этого направления в 80-е гг. XX в. можно найти в работах Г. Хакена. Интерпретация проблемы самоорганизации у Хакена тоже основана на обнаружении в физическом мире перехода от хаоса к порядку: «Лазер является примером упорядоченного состояния, реализуемого посредством самоорганизации: хаотичное движение здесь переходит в упорядоченное» [Г. Хакен, 2003, с. 70]. Явление лазера демонстрирует процесс, выбивающийся из общей тенденции, описанной в классической равновесной термодинамике, что дает толчок для определенного переноса идей в биофизическую область. «Исследуя различные явления сначала в физике, затем в химии и, наконец, в биологии с точки зрения, предполагающей существование принципа подчинения и параметра порядка, я снова и снова сталкивался со следующей закономерностью: процессы образования структур всегда протекают в определенном направлении, однако вовсе не в том, какое предсказывает термодинамика, и отнюдь не в сторону увеличения "разупорядоченности". Напротив: элементы системы, прежде неорганизованные, приходят в состояние определенного порядка, и порядок этот подчиняет себе их поведение» [там же, с. 24]. Подобное описание говорит все о том же принципиальном сдвиге. Стремление к упорядоченности начинает наблюдаться многими учеными в различных областях, относящихся и к живой, и к неживой природе. Второй закон термодинамики, войдя когда-то в противоречие с феноменом жизни, теперь противостоит и явлениям упорядоченности в неживой природе, поэтому все более острым становится вопрос о правомерности универсализации второго закона. В связи с этим Хакен точно определяет границы понятия энтропии: «На открытые системы не распространяется принцип, согласно которому при предоставлении такой системы самой себе хаос в ней будет постоянно расти. Принцип Больцмана, касающийся энтропии как меры хаоса, стремящейся достичь своего максимума, оказывается верен только для закрытых систем» [там же, с. 228].
3 Цитируется по: [Дж.В. Гиббс. 1982, с. 61].
Наука «первым делом должна объяснить природу самозарождения и развития структур — иными словами, суть процессов самоорганизации» [там же, с. 18]. Так понятие самоорганизации определяется через натурфилософские термины (вроде самозарождения) и метафоры и не имеет точного научного определения, но оно выражает, концептуализирует тенденцию «упорядоченности» в физике и биологии. Именно как обозначение этой тенденции данное понятие и выносится на щит.
Подобное направление развивается современными исследователями в России и за рубежом. Например, кафедра биофизики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (то самое место, где Жаботинский воспроизвел реакцию Белоусова и откуда эта реакция «начала свое победное шествие» [А.А. Печенкин, 2012, с. 29]), активно работает в рамках данной объяснительной схемы. В книге В.А. Твердислова, А.Э. Сидоровой и Л.В. Яковенко «Биофизическая эволюция» дано следующее определение самоорганизации: «Самоорганизация — это процесс упорядочения в системе за счет внутренних факторов, без какого-либо внешнего управляющего воздействия (считается, что мы интуитивно понимаем, что такое "упорядоченность")» [В.А. Твердислов, А.Э. Сидорова, Л.В. Яковенко, 2012, с. 219]. В этом уточненном виде понятие самоорганизации все еще несопоставимо с математически выраженным понятием энтропии. Тем не менее происходит его уточнение.
Это научное направление в биофизике имеет четко сформулированную цель метатеоретического уровня: «Развиваемый подход направлен на разрешение принципиального противоречия между представлениями о существенной термодинамической неравновесности всех живых клеток и общепринятыми классическими равновесными моделями их возникновения» [там же, с. 3]. Такое описание собственного подхода фиксирует наличие противоречия между равновесной и неравновесной термодинамикой в области жизни, т.е. существование термодинамической проблемы в биофизике указывает на принципиальность этого противоречия и на стремление биофизического сообщества к решению данной проблемы.
Это же направление развивается и в институте Санта-Фе в США. Работающий в нем биолог-теоретик С. Кауффман в книге «Дома во Вселенной: В поисках законов самоорганизации и сложности» формулирует проблему весьма поэтично. Второй закон термодинамики представляется автору достаточно мрачным и похожим на эпитафию: «Вселенная умирает. Тепловая смерть возглавляет наш путь. Беспорядок — вот порядок дня» [£. Kauffman, 1995, 8. 10]. И это притом, что простой вид из окна являет скорее порядок, чем энтропию. В своей книге Кауффман проводит различение класси-
ческих научных представлений (об энтропии и особенно о естественном отборе как главной движущей силе эволюции) о самоорганизации и новых взглядов на нее. Автор утверждает, что новые законы еще только предстоит найти, хотя мы уже по-иному смотрим на мир, замечая стремление к упорядоченности не как нечто необъяснимое и случайное, а как ожидаемое свойство всей Вселенной.
Заметим, что эта новая объяснительная схема жизни уже воспроизводится в учебных пособиях, например, в учебнике А.Б. Рубина «Биофизика» 1999 г.: «Изучение принципов самоорганизации (синергетические механизмы на простейших моделях) имеет принципиальное научное и прикладное значение» [А.Б. Рубин, 1999, с. 100]. Таким образом, объяснительная схема, построенная на основании неравновесной термодинамики с использованием понятия самоорганизации, становится рабочей для многих конкретных биофизических задач4. Характерно и то, что недостаточность физики в ее применении к биологии также четко связывается с ограниченностью понятия энтропии: «Использование понятия энтропии для существенно неравновесных и гетерогенных систем оправдано только по отношению к выделенным статистическим степеням свободы. Именно поэтому характеризовать в целом поведение биологической системы с помощью понятия энтропии неправильно» [там же, с. 159]. Следовательно, тенденция признания определенного противоречия между классической термодинамикой и представлениями о жизни вполне прослеживается от Шредингера через Пригожина и Хакена к современным российским и зарубежным исследователям. В то же время мы видим, как введение понятия самоорганизации характеризует определенный сдвиг в постановке термодинамической проблемы, намечая новое направление научных поисков по ее разрешению.
4. Концептуализация термодинамической проблемы
Итак, проблема определения жизни физическими законами существовала давно, и в рамках философии, и затем в рамках науки. Появление классической термодинамики и универсализация закона возрастания энтропии способствовали представлению этой
4 Эта цитата продолжается так: «Развитие теории автоволновых процессов необходимо для понимания таких кардинальных явлений в живом организме, как процессы дифференцировки тканей и морфогенеза, а также нервная проводимость сердца». Есть основания связывать принципы самоорганизации с автоволновыми процессами (Автоволновые процессы в системах с диффузией: Сб. / Под ред. М.Т. Греховой. Горький, 1981).
проблемы как термодинамической. Стремление решить ее заложено в такую науку, как биофизика.
Инструменталистский подход к этой проблеме заключается в предположениях, встречающихся у Шамбадаля [П. Шамбадаль, 1967, с. 268] и Блюменфельда [Л.А. Блюменфельд, 2002, 145—146], что понятие «энтропия» можно рассматривать не реалистически, а конвенционально и инструментально, не беспокоясь о том, как действительно устроен мир. Но история биофизики скорее демонстрирует реалистическую направленность в процессе сталкивания объяснительных схем, выстроенных на равновесной и неравновесной термодинамике, на основе рассуждений о правильности и неправильности применения энтропии или самоорганизации к феномену жизни.
Так, тенденция замещения одной объяснительной схемы другой (сравните учебник Волькенштейна 1978 г. и учебник Рубина 1999 г.) основывается на реалистической аргументации большей прогрессивности схемы, использующей понятие самоорганизации, и недостаточности схемы с энтропией. Однако реально обе объяснительные схемы сосуществуют в рамках прикладной науки, поскольку для одних задач применяется классическая термодинамика с законом возрастания энтропии, для других — неравновесная термодинамика и принципы самоорганизации. И нет четкого механизма различения, для каких задач какие схемы применять. Так, ни одна объяснительная схема не дала еще решения термодинамической проблемы, отсутствие которого и, как следствие, неразработанность фундаментальной биофизической теории делают существование биофизики неопределенным теоретически — таким, «что до настоящего времени нет общепринятого определения науки "биологическая физика"», как признавался Блюменфельд [там же, 2002, с. 5].
По мнению Шамбадаля, закон энтропии уточняет проблему определения жизни, но не дает инструментов для ее решения [П. Шамбадаль, 1967, с. 275]. Объяснительная схема с «отрицательной энтропией», представленная Шредингером, является признанием недостаточности равновесной термодинамики в этом вопросе. Появившись как определенное противостояние шредингеровской схеме, объяснительная схема на основе неравновесной термодинамики, использующая понятие самоорганизации, с одной стороны, более четко концептуализирует термодинамическую проблему, с другой — представляет собой некоторую программу исследований по направлению к ее решению.
Эта программа заключена в следующем ряде вопросов. Подчиняется ли жизнь закону энтропии или принципам самоорганиза-
ции? Чем является жизнь — открытой или изолированной системой? Чем является клетка, организм, биосфера, да и вся Вселенная? Как связаны между собой открытая и изолированная системы? Как связаны закон энтропии и принципы самоорганизации?
Из всего сказанного можно сделать следующие выводы.
1. Проблема определения жизни сквозь призму физических законов с появлением классической термодинамики принимает вид термодинамической проблемы.
2. Концепты «энтропия» и «самоорганизация» представляют собой концептуальные средства представления термодинамической проблемы.
3. Биофизика остается прикладной наукой без теоретического решения этой фундаментальной для биофизики проблемы.
4. Стремление к фундаментальной теории прослеживается исторически, через создание обобщенных объяснительных схем, пытающихся примирить феномен жизни с физическими законами. Каждая объяснительная схема (через равновесную и неравновесную термодинамику) обладает определенным эвристическим потенциалом.
5. Если возможна фундаментальная для биофизики теория, то она должна найти соотношение между самоорганизацией и энтропией, открытыми и изолированными системами, а также соединить эти противоположные тенденции и, следовательно, должна обладать большим эвристическим потенциалом, чем отдельные объяснительные схемы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бауэр Э.С. Теоретическая биология. М.; Ленинград, 1935.
Бергсон А. Творческая эволюция / Пер. с фр. М. Булгакова // Бергсон А. Творческая эволюция: Материя и память. Минск, 1999.
Блюменфельд Л.А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики. М., 2002.
Больцман Л. Лекции по теории газов / Пер. с нем. Б.И. Давыдова. М., 1953. Волькенштейн М.В. Общая биофизика. М., 1978.
Гиббс Дж.В. Термодинамика. Статистическая механика / Пер. с англ. В.Г. Панкратова и М.Ю. Новикова. М., 1982.
Дриш Г. Витализм: Его история и система / Пер. с нем. А.Г. Гурвича, М., 1915.
Клаузиус Р. Механическая теория тепла / Пер. с нем. В.Н. Фишмана // Карно С., Томсон-Кельвин В., Клаузиус Р., Больцман Л., Смолуховский М. Второе начало термодинамики: Сборник / Под ред. А.К. Тимирязева. М.; Ленинград, 1934.
Иваницкий Г.Р. XXI век: что такое жизнь с точки зрения физики // Успехи физических наук. 2010. Т. 180, № 4. С. 337-369.
Печенкин А.А. Мировоззренческое значение колебательных химических реакций // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 7. Философия. 2005. № 6. С. 20-35.
Печенкин А.А. Реакция Белоусова-Жаботинского как аргумент в дискуссии о сути бытия // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 7. Философия. 2012. № 1. С. 28-41.
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой / Пер. с англ. Ю.А. Данилова. М., 2014. Рубин А.Б. Лекции по биофизике. М., 1994. Рубин А.Б. Биофизика: В 2 т. М., 1999.
Твердислов В.А. Хиральность как первичный переключатель иерархических уровней в молекулярно-биологических системах // Биофизика. 2013. Т. 58, вып. 1. С. 159-164.
Твердислов В.А., Сидорова А.Э. Самоорганизация в иерархии активных сред как движущая сила эволюции биосферы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физика. Астрономия. 2012. № 2. С. 65-69.
Твердислов В.А., Сидорова А.Э., Яковенко Л.В. Биофизическая экология. М., 2012.
Твердислов В.А., Яковенко Л.В., Ивлиева А.А., Твердислова И.Л. Ионная и хиральная асимметрии как физические факторы биогенеза и онтогенеза // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физика. Астрономия. 2011. № 2. С. 3-13.
Умов Н.А. Физико-химическая модель живой материи // Умов Н.А. Собр. соч. Т. 3. М., 1916. С. 184-200.
Хакен Г. Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии / Пер. с нем. А.Р. Логунова. М.; Ижевск, 2003.
Шамбадаль П. Развитие и приложения понятия энтропии / Пер. с фр. В.Т. Хозяинова. М., 1967.
Шрёдингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? / Пер. с англ. А.А. Малиновского, М., 2009.
Ashby W.R. Principles of the self-organizing dynamic system // Journal of General Psychology. 1947. Vol. 37. P. 125-128.
Kauffman S. At home in the Universe: The search for laws of self-organization and complexity. Penguin Group. 1995.
Clausius R. Ueber verschiedene für die Anwendung bequeme Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie / Annalen der Physik. 125. 1865. P. 353-400.
