Текст книги "Причина времени"
Автор книги: Геннадий Аксенов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 26 (всего у книги 34 страниц)
Неравновесность – и с непременным эпитетом “устойчивая” – есть ни откуда не произошедший, а всегда существовавший склон, причем бегущий вниз склон, на котором живет, не падая, молекула живого организма. Скорее даже не склон, похожий на склон холма, а ниспадающий водопад. Это внешняя энергия, бьющая по любому организму с постоянной и ровной силой. Но весь фокус во внутреннем устройстве. Живое как мягкий шарик, постоянно крутящийся на этом водопаде, ничем не поддерживаемый извне, а только своим внутренним устройством, и за счет какого-то вращения остающийся на этом падающем потоке в одной точке, на одной высоте. (51). Точнее, колеблющийся на одной высоте: ниже – выше.
Еще раз подчеркнем заключительную мысль Эрвина Бауэра из только что цитированного отрывка: “Внешняя работа может быть произведена лишь за счет структурной энергии”. Подобное уточнение принципа устойчивой неравновесности исключительно важно. Бауэр тоже привел в движение свою конструкцию из деформированных молекул и увидел нечто удивительное. Вся работа делается живыми организмами не за счет потребляемой энергии, а за счет всегда существовавшей, вечной структурной энергии.
К любому биофизическому процессу, говорит Бауэр, биофизики подходят как к неживой системе, к машине: вот механизм стоит, у него нулевой уровень работы, вот включена энергия, работа началась. Всегда легко рассчитать приход – расход за счет сделанной работы. Все видели всегда баланс поступления и расхода энергии, в результате чего сделана полезная работа. Но этого баланса никогда и нигде нет там, где есть живая клетка. К балансу прихода добавляется внутренняя структурная энергия и живое работает за счет притока энергии чрезвычайно своеобразно. Не замечали очень тонкой и главной вещи, говорит Бауэр: энергия никогда не расходуется напрямую на производство работы, которую совершает организм. Энергия поступает в систему, обладающую собственным поведением, то есть уже обладающей некоторым запасом структурной энергии, и потому включается в сложный, обходной путь, а не прямо тратится на работу, как в любом механизме. Внешняя, поступающая извне в виде электрических зарядов энергия тратится не на что иное, как на создание неравновесной, деформированной структуры, а должная по функции клетке работа делается спонтанно, сама собой, за счет “выпрямления” деформации, за счет естественного стремления молекулы придти в равновесное состояние. Вот это и есть самое главное: на что идет энергия?
Полезная, к примеру, солнечная энергия не идет через организм, как вода через мельницу, производя полезную работу, а отводится на строительство мельницы и ее непрерывный ремонт. организм с ее помощью упорно поддерживает ее в работоспособном состоянии, а нужная данной клетке, например, мышечной, говорит Бауэр, работа производится сама, уже по принципу наименьшего действия.. “Структуры живой системы не являются равновесными, что следовательно для сохранения их, т.е. условий системы, необходимо их постоянно возобновлять, т. е. постоянно затрачивать работу. Таким образом, химическая энергия пищи потребляется в организме для создания свободной энергии структуры, для построения, возобновления, сохранения этой структуры, а не непосредственно превращается в работу”. (Бауэр, 1935, с.55).
Бауэр по сути дел нашел некую общую принципиальную схему внутреннего устройства “черного ящика” биосферы. Если Вернадского как геохимика интересовал больше вход и выход, то Бауэра как биофизика вслед за Ламарком (о котором он ничего не говорит) – главный тракт энергии внутри живого организма. На пути от входа до выхода в “черном ящике” происходит не замечаемая нами подмена. На выходе – совсем другой уже вид той же энергии. Бауэр нашел основное отличие организма от механизма. В механизм поступает топливо и благодаря более или менее хитроумному устройству производит полезную работу. Так думает и биофизика в основном. Но в организме согласно принципу неравновесности энергия идет на строительство и возобновление механизма, а не на работу, чего не делает ни один механизм. Работает другой вид энергии.
Работает “естественное стремление” к распрямлению от деформации, а не входящий в устройство поток энергии, то есть трудится сама Госпожа Энтропия. Работает стремление к нивелировке всех и всяческих потенциалов и градиентов, будь они химические, электрические или структурные. В живом веществе никогда и нигде нет “нуля” энергии. Над всеми исследователями всегда довлела общая идея “происхождения” жизни, поэтому возникает загадочная и неразрешимая проблема “лишней”, откуда-то берущейся энергии. Между тем принцип Гюйгенса-Вернадского о вечности жизни предполагает что эта лишняя энергия была всегда, чтобы под этим “всегда” ни понимать. Живое с помощью внешней полезной энергии только поддерживает перепад высот, передающийся в готовом виде от одного организма к другому без изменения. Он занимается только непрерывным ремонтом мельницы, то есть изготовлением неравновесного, “неправильного” с точки зрения химии и физики состояния. А работа делается сама, за счет распрямления его в “правильное”. На это затрачивать энергию не надо, кроме как на триггерный эффект.
Таким образом, с пространственной стороны наблюдается неравновесность, с временной определенная удерживаемая длительность, необратимо исчезающая при выполнении работы – так живет одна отдельно взятая молекула, которая в живом не бывает отдельно взятая, а только в ансамбле, в ассоциации. Состояние пространства – времени является той “мельницей”, которая превращает разрушительную силу в полезную работу в материи живой и разрушает не имеющую “мельницы” мертвую материю.
*****************
Однако и принцип Ламарка, и принцип неравновесности Бауэра, и понятие о биогеохимической энергии Вернадского – все еще очень общие научные положения. Они дают возможность понимания, но не дают пока возможности работы с этими принципами. Более детальное рассмотрение возможно при применении к ним представления о диссимметрии пространства, которая является, как мы решили выше, оборотной стороной необратимости времени.
Принцип Ламарка позволяет поставить вопрос так: является ли диссимметрия Пастера и неравновесность Бауэра одним и тем же свойством живой материи, выраженной на разных языках. Можно ли отождествить диссимметрию и неравновесность?
Открытие Пастера породило немало направлений, особенно в прикладных дисциплинах. Возникли стереохимия и стереобиохимия. Однако Вернадский, имея ввиду теоретический уровень естествознания, недаром говорил, что путь, открытый Пастером и Кюри, зарастает травою забвения. Исследования диссимметрии практически не связывались с проблемой жизни вообще и с проблемой пространства в частности, и не получали не получают выхода в смежные области.
Только в наше время проблема отличия живой материи от неживой по признаку симметрии стала постепенно вставать в полный рост. Исследования множатся. В конце 70-х годов была сформулирована проблема “хиральной чистоте биосферы”. (Морозов, 1984).
Здесь надо прояснить терминологию. То, что Пастер и Вернадский называют диссимметрией, перейдя в химическую физику, стало называться хиральностью от греческого слова “хирос”, то есть “рука”. Иногда употребляется и похожий термин “киральность”. Поскольку самым наглядным примером диссимметрии являются, как о том писал еще Кант, наши руки, которые, отражая друг друга в зеркале, тем не менее не могут быть совмещены никакими поворотами и смещениями, это свойство и назвали хиральностью. Далее, судя по смыслу биофизических работ, слово “биосфера”, в отличие от геологии и геохимии, естественно, имеет несколько иной смысл, более узкий. В геологии биосфера обозначает оболочку планеты, включающей косное вещество, гидросферу, части атмосферы и литосферы, а биофизики, не определяя ее специально, поднимают под ней живые организмы. Оно близко по смыслу тому, что в экологии иногда именуется витасферой, или соответствует употребляющемуся в последнее время очень удобному термину биота, который относится к любому уровню – от конкретного биоценоза до живой популяции всего земного шара. И наконец, термин “хиральная чистота” означает полную диссимметричность живых структур, то есть отсутствие объектов в живой материи, которые были бы инвариантны к операции зеркального отражения изомеров.
О хиральности биосферы существует большая литература. В нашей стране после исследований Г.Ф. Гаузе стало ясно, что не все структуры живых организмов проявляют диссимметрию, поэтому, по современной терминологии, хиральная чистота существует только в идеале. (Гаузе, 1940). В настоящее время с абсолютной достоверностью выяснилось, что ею обладают зато наиболее важные для жизнедеятельности клетки структуры. Они полностью, на сто процентов диссимметричны. Так, нуклеотиды и сахара – только правые, они обозначаются D– изомеры, в то время как аминокислоты полностью, на сто процентов левые, они обозначаются L– изомеры; а те и другие рядом – D и L – энантиомеры. Энантиомерами называются изомеры, проявляющие оптическую активность, следовательно, состоящие из асимметрических молекул только одной конфигурации. Другие, менее значимые структуры живой клетки могут быть не стопроцентно хиральны. Поэтому, когда говорят о “хиральной чистоте биосферы” имеют ввиду именно наиболее значимые для информационных и функциональных взаимодействий биополимеры. Вот как обозначается это свойство: “Однако с точки зрения хиральности эти биополимеры обладают одним примечательным свойством: нуклеотидные звенья РНК и ДНК имеют только D– конфигурацию (включая исключительно D– рибозу и D– дезоксирибозу, соответственно), а ферменты состоят только из L– энантиомеров аминокислот. Другими словами, первичные структуры ДНК, РНК и ферментов гомохиральны. Это свойство главных биологических макромолекул не имеет исключений”. (Аветисов и др., 1996, с.875). Значит, стопроцентная диссимметричность иначе теперь называют гомохиральностью.
Один из первых исследователей гомохиральности талантливый, рано умерший физик Л.Л. Морозов с самого начала задал то направление, которое в настоящее время при всех исследованиях хиральной чистоты биосферы остается не обсуждаемым, господствующим, подразумеваемым. Он удивился хиральной чистоте биосферы, ее полной загадочности и начал искать и обсуждать причины, по которой однажды рацемические синтезы превратились в диссимметрические. Обратимся снова к более современной и точной формулировке проблемы, как она видится химико-физикам: “Часто хиральная специфичность биоорганического мира воспринимается как феномен нарушения зеркальной симметрии, проявляющийся в существовании жизни, если можно так выразиться, определенного “знака хиральности” и полном отсутствии каких-либо следов “зеркально антиподной” жизни. Однако даже при таком восприятии сразу возникает вопрос, а где именно искать причину нарушения симметрии – в ходе химической, предбиологической или уже биологической эволюции?
Интуитивно эти этапы молекулярной эволюции представляются различными, но какими бы они ни были, они привели к возникновению уникального полимерного мира – гомохиральных макромолекул, обладающих удивительными структурными и функциональными свойствами. Поэтому действительно ключевой нам представляется несколько иная проблема – как возникли гомохиральные макромолекулы, сложность которых адекватна сложности информационных и функциональных носителей в биологии? Ответ на этот вопрос во многом, если не во всем, может определить подход к вопросу о причинах нарушения зеркальной симметрии биосферы в целом”. (Аветисов и др., 1996, с. 875).
Данная статья, как и множество других работ (см., напр., Аветисов и др., 1997) данного коллектива исходит из фундаментального аксиоматического представления о возникновении жизни на Земле и о последовательности трех этапов эволюции, каждый из которых имеет внутри себя собственную специфику: химическую, предбиологическую и биологическую. Очень характерно, что в списке литературы, на котором основывались цитированные выше авторы, буквально пестрят заголовки “the origins of life”, “the origins of order”, “химическая эволюция”, “самоорганизация” и т.п. понятия, определяющие предвзятую позицию авторов по поводу происхождения жизни. Она является для них исходной; для них возникновение порядка из хаоса, жизни из химии, существование восходящей биологической эволюции считаются как бы доказанными положениями, а между тем на самом деле их следует сначала доказать, потому что в естествознании нет ни одного факта, которые бы о них свидетельствовал, а за эмпирические факты принимаются теории, основанные на некоторых химических опытах в лабораториях, организуемых в свою очередь космологическими идеями или допущениями или вовсе уж не называемо – религиозными чувствами. Все пробы и поиски в направлении “самоорганизации” неживой материи в живую имеют пользу только для развития каких-либо побочных методов; в истории науки не счесть случаев, когда искали одно, а находили другое. Кеплер искал мировую гармонию сфер, а обнаружил законы планетных орбит.
По физическому мировоззрению диссимметрия является нарушением, какой-то неправильностью живого мира. С точки зрения физической химии, как и с точки зрения всей химии и физики вообще, в природе должны образовываться только рацемические молекулы. Так действительно происходит в неживой природе, потому что это согласуется прежде всего со вторым началом термодинамики, или с третьим законом Ньютона, или с законом больших чисел, или с принципом наименьшего действия, короче говоря, рацемичность прекрасно согласована со всеми фундаментальными закономерностями, которые являются чаще всего не обсуждаемым постулатами науки и открыты в ходе исследования движения инертных тел. На этом умственном фоне происхождение жизни само по себе представляется нарушением всех этих без исключения фундаментальных законов, и тем более таких тонких, которые ведут к равновесному синтезу. Естественно, создание гомохиральных молекул представляется как нарушение зеркальной симметрии.
На все такие рассуждения незаметно влияют философские и религиозные умственные конструкции, когда не очень заботятся о точности языка. Если говорят, что в природе должны образовываться только рацемические смеси конфигураций молекул, то не задумываются, что слово “природа” чрезвычайно неточное, оно не может быть научным понятием. Вряд ли его можно употреблять в старом смысле, если наука дошла до такой степени дифференциации своих объектов, что выяснила коренную противоположность живой и неживой материй. Следовательно, нужно специально оговаривать или иметь ввиду, какая именно природа в данном конкретном случае подразумевается, живая или неживая, потому что все главные фундаментальные закономерности проявляются в них прямо противоположным образом.
Представление о биоактуализме, если уж не употреблять такого философски окрашенного слова как “вечность жизни”, вносит принципиальную поправку в употребление терминов. В соответствии с ним надо исследовать то, что есть, а не как оно произошло. Надо исходить из существования жизни как таковой, внутри которой действует принцип Реди, или биогенез, и значит, есть только переходы от жизни к смерти, но никогда наоборот. Диссимметрическое строение наиболее важных структур ЖВ – не нарушение, не патология, а норма, а патология – равновесность, ибо житейски говоря, она есть смерть. И потому порядок может возникнуть только из такого же порядка, в крайнем случае снизиться по своей сложности, деградировать, но не повысить свое качество. Свойство живых молекул быть “гомохиральными” не является предметом выбора, живое не выбирает – быть ему рацемичным или диссимметричным, потому что рацемическое – это смерть, состояние равновесия. Живая молекула заряжена и напряжена заранее, в ней содержится источник роста и движения, в том числе и выбора, но совсем другого, который может осуществляться только с некоторой степенью свободы, которая уже существует. Биологическая степень сложности молекул принципиальна, она фундаментально существует, как и все фундаментальные принципы сохранения, и потому не может быть благоприобретенной, не может произойти из нуля. В синтезе ДНК нет случайностей, потому что у клетки нет времени для перебора всех возможных вариантов, о чем и пишут вышеназванные авторы, когда предъявляют нам аргумент, что “каждая из реально существующих последовательностей длиной, например, 150 и более звеньев (а именно такова сложность, говорят авторы, ДНК, РНК и ферментов или энзимов – Г.А.), заведомо “уникальная”, поскольку подавляющая их часть не может быть реализована в принципе – просто потому, что даже вся Вселенная исчезающе мала для этого”.( Аветисов и др., 1996, с. 876).
Так же как в случае с термином “природа”, который требует эпитета “живая” или “неживая”, у нас существует предвзятое отношение к другим словам, которые несут конструктивную нагрузку, например, “сложность”. Во всех понятиях такого рода, как сложность, синтез, химическое соединение, идея материального единства незаметно подменяется идеей эволюционного усложнения. Первое является полностью доказанным, есть принцип сохранения массы, второе – голословное положение. Считается априорно, что сложные химические вещества когда-то где-то образовались, соединились из простых веществ. В общем виде мы изображаем на всех химических схемах, что молекулы состоят из атомов. Но то, что молекулы строятся из атомов, вовсе не означает, что они из них где-то образовались сами собой. Они могут только раскладываться на атомы, но не складываться из них спонтанно. То, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, вовсе не означает, что она синтезируется именно из них, путем соединения двух каких-то свободных атомов водорода и одного отдельного атома кислорода в каких-либо “природных лабораториях”. Ее образуют бактерии, но насколько я могу понять, выделяя из других минералов и газов, а не синтезируя из атомов, как на заводе. Поэтому вода всегда есть и в любых количествах, она переходит из одного раствора в другой, из одной фазы в другую, и образуется из более сложных или таких же по уровню сложности молекул, но не с затратой энергии. Прекрасно известно, что такой синтез идет с поглощением огромного количества энергии, а в природе неживой все происходит наоборот, по принципу наименьшего действия, а не с целенаправленными ее затратами. И это только достаточно простая, трехатомная молекула, количество которой и на Земле, и в ближнем космосе предостаточно. Все спутники планет-гигантов и есть более или менее грязный лед, в том числе и водный.
Произнося слова “химическое соединение”, мы подразумеваем процесс синтеза. Но между прочим, сама химия строится на анализе вещества, а не на синтезе. В подавляющем большинстве реакций и химических производств сложное разлагается на простое, или из очень, фантастически сложного вещества выделяется немного менее сложное и данные реакции тоже называются синтезом. Есть вещества, которые даже неизвестны по составу, настолько они сложны. Появились синтетические материалы, полимеры, полиэтилен – бесконечные цепочки соединений водорода, углерода и кислорода, однако они образуются человеком с применением теоретических знаний, алгоритма синтеза и определенных затрат энергии и эти процессы идут не сами собой, а целенаправленно, по чертежам, составленным человеком, который тоже есть “кантовская” реальность природы. Да такие молекулы и чрезвычайно просты по сравнению с живыми молекулами.
Ничего принципиально нового по сравнению с живой природой в лабораториях не происходит. И в живой клетке синтезируются сложные соединения по “чертежам”, заложенным на другом уровне сложности, уже не биологическом и тем более не в химическом – на информационном уровне.
Таким образом источник сложных соединений расположен в ЖВ. Никакого другого не существует. Все остальные известные нам места, в которые попадает сложное соединение, только разрушает его, нивелирует, упрощает. В зависимости от качества упаковки оно выдерживает более или менее длительную осаду неорганизованной энергии и в соответствие с принципом Ламарка исчезнет, если не будет включено снова в циклы живой природы. И если мы перестанем удивляться, как из простого произошло сложное, оставим эти вопросы философии и поэзии, мы перейдем на научные позиции, то есть будем подходить к явлениям с презумпцией их существования, но не их происхождения из более простых “сущностей” и “субстанций”.
В одном обзоре на тему диссимметрии рассматриваются все возможные действия того гипотетического механизма, согласно которому однажды будто бы все-таки произошел выбор энантиоморфности. (Кизель, 1985). Иначе говоря, как могло произойти, что из состояния с наибольшей энтропией, то есть рацемического состояния пространства химических соединений возникло в биологических системах пространство с наименьшей энтропией, то есть системы с одними левыми или одними правыми молекулами? Обсуждаются и приводятся многочисленные исследования и расчеты различных случайностей: изменение знака магнитного поля Земли, падение гигантского метеорита, прохождение Земли через некие особые космические пространства, воздействие определенного космического излучения и т.п. Тем самым ищутся условия, при которых будет обойдено, как-то приостановлено действие одного из самых фундаментальных законов природы – второго начала термодинамики. Причем заранее известно, что переход от хирально чистого антипода к рацемату дает выигрыш в энергии 1, 38 кал/моль, тогда как обратный, который разыскивается в данных гипотезах, требует затрат 400 кал/моль. (Кизель, 1980.). А вот зато выигрыш, который найден, и есть подлинная, собственная энергетика биосферы: 1,38 кал/моль на одну молекулу. Все молекулы биосферы вместе дают ее совокупную структурную (она же биогеохимическая по Вернадскому) энергию. По сути дела, этот выигрыш в энергии и есть тот источник, который искал Бауэр, та работа, которая осуществляется ничем иным, как структурной энергией, до всякой ее подпитки внешними источниками энергии. А о том, куда идет эта внешняя, мы уже говорили выше.
Обсуждается и вторая возможность – переход от рацемических к диссимметрическим синтезам уже внутри биоорганического мира. То есть первоначально живые организмы развивались на рацемической основе, а затем путем эволюции и выбора лучших вариантов перешли к диссимметрическим молекулам. Но в свете принципа устойчивого неравновесности такой путь не стоит даже и обсуждать, потому что живое с рацемическими молекулами – нонсенс, оно мертвое, а не живое.
Лучшим доказательством фантастичности всех этих предположений является сам биоорганический мир, причем бактериальная его часть. Бактерии не выказывают никаких признаков эволюции, они ныне те же, что и миллиарды лет назад. ДНК, РНК, ферменты бактерий также хирально чисты, как и биополимеры других живых существ. К ним никак нельзя применить понятия эволюции.
Большие умственные силы брошены на поиски того агента, который способствовал “нарушению” зеркальной симметрии. Вечность жизни по Вернадскому, принцип Ламарка и принцип неравновесности Бауэра снимают необходимость рассматривать диссимметрию как “нарушение”, дают возможность подойти к делу с других позиций, где нарушением, то есть равновесием и нивелировкой будет как раз рацемичность любых молекул, и никакие из законов природы не нарушаются, а, напротив, способствуют функционированию ЖВ. Здесь надо, правда, сказать, что “гомохиральные молекулы” не воспринимаются пока в широкой научной среде как “диссимметрическое пространство”, нет пока мышления в пространственно-временных терминах.
Когда правильная позиция восстановятся, понадобятся как раз те усилия, которые направлены не на выяснение “нарушения”, а на исследование значения, роли диссимметрического состояния пространства в ЖВ. И конечно, такие исследования ведутся, приходя в вопиющее противоречие с ложно выбранной основной исходной посылкой. Доказывается фактами, что хирально чистое состояние молекул выгодно живому по множеству биохимических и биофизических причин. Оно создает более тесные и прочные взаимосвязи между молекулами, предоставляет возможность для более интенсивных и быстрые взаимодействий, ускоряет передачу информации, упорядочение, кодирование, и автоконструирование, приводит к однозначности конечных результатов реакций, обеспечивает их огромную, немыслимую с технической точки зрения скорость, усиливает прочность конструкции полимеров и повышает устойчивость к разрушающим воздействиям. (Кизель, 1980, с. 215).
Таким образом, есть все основания полагать диссимметрию Пастера неравновесностью Бауэра, а биогеохимическую энергию Вернадского рассматривать как аналогию понятию Бауэра “структурная энергия”. Диссимметрические структуры как раз и есть те, которые всегда и везде стремятся спонтанно к рацемизации, для этого не нужно дополнительных затрат энергии. (Клабуновский, 1960). А спонтанность и есть действие энтропии. Следовательно, термодинамическая выгодность диссимметрии согласована с “принципом Ламарка”: энтропия есть форма диссипации энергии, того потока, на пути которого стоит ЖВ и своей структурой улавливает с помощью диссимметрической структуры и извлекает из нее полезную часть.
По отношению к человеку данный процесс тоже различим, но не осмыслен теоретически, хотя попытки были. Например, Сергей Подолинский в прошлом веке пытался отыскать новые принципы политэкономии, согласно которым труд человека есть такая форма затраты энергии, которая повышает ее ценность за счет упорядочивания процессов. (52).
Итак, принцип Ламарка показывает, зачем существует пространство и время жизни. Она вводит в наши понимание некую “энтелехию”: ради чего живое так устроено в пространственно-временном отношении? Проще говоря, с пространственной стороны процесс однонаправленности пути энергии означает путь к рацемизации диссимметрических структур, который никогда в живом не заканчивается, пока одни молекулы разрядились в процессе работы, организм успел зарядить другие для той же цели.
Что же тогда такое пространство-время живого организма с этой теперь уже современной точки зрения?
