Текст книги "Новая наука о жизни"

Автор книги: Руперт Шелдрейк

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 22 страниц)

Глава 3. Причины формы

3.1. Проблема формы

Не очевидно, что форма вообще представляет какую-то проблему. Окружающий нас мир полон форм, мы узнаем их в каждом акте восприятия. Но легко забываем, что существует глубокая пропасть между этим аспектом нашего опыта, который мы воспринимаем просто как само собой разумеющееся, и количественными факторами, которыми занимается физика: массой, моментом, энергией, температурой, давлением, электрическим зарядом и т. д.[87]87
  Прекрасное введение в проблему органической формы можно найти в Sinnott (1963).


[Закрыть]

Соотношения между количественными факторами физики могут быть выражены математически, и физические изменения – описаны с помощью уравнений. Создание этих уравнений возможно, потому что сохраняются фундаментальные физические величины в соответствии с принципами сохранения массы и энергии, момента, электрического заряда и т. д.: общее количество массы и энергии, момента, электрического заряда и некоторых других величин перед данным физическим изменением равно их общему количеству после него. Но форма не входит в эти уравнения: она не является векторной или скалярной величиной и она не сохраняется. Например, если букет цветов был брошен в печь и превратился в пепел, общее количество вещества и энергии остается тем же, но форма цветов просто исчезает.

Физические величины можно измерить инструментами с высокой степенью точности. Но формы не могут быть измерены в количественных единицах, да этого и не нужно даже ученым. Ботаник не измеряет различие между двумя видами по показаниям шкалы прибора; и энтомолог не распознает бабочек с помощью какого-либо механизма, как и анатом – кости и гистолог – клетки. Все эти формы распознаются непосредственно. Затем образцы растений сохраняются в гербариях, бабочки и кости – в шкафах, а клетки – на предметных стеклах микроскопа. Как формы, они просто являются сами собой, их нельзя свести к чему-либо еще. Описание и классификация форм фактически есть главная задача многих областей науки; даже в такой точной науке, как химия, главная цель состоит в определении форм молекул, представляемых в виде диаграмм как двумерные «структурные формулы» или как трехмерные модели типа «шарики и палочки».

Формы почти всех простейших систем могут быть представлены только визуально, в виде фотографий, рисунков, диаграмм или моделей. Их нельзя представить математически. Даже наиболее продвинутые топологические методы еще недостаточно разработаны, чтобы давать математические формулы, скажем, жирафа или дуба. Некоторые из новых методов, разработанных Томом и другими, со временем, возможно, могут быть использованы для решения подобных проблем, но здесь есть математические трудности не только практического, но и принципиального характера.[88]88
  Обсуждение этой проблемы см. у Р. Тома (Thom, 1975а).


[Закрыть]

Если простое описание даже простейших статических форм представляет математическую проблему неимоверной сложности, то описание изменения формы, или морфогенеза, еще труднее. Это предмет созданной Томом «теории катастроф», которая классифицирует и описывает в общих терминах возможные типы изменения форм, или «катастрофы». Он применяет свою теорию к рассмотрению проблем морфогенеза путем конструирования математических моделей, в которых конец или цель морфогенетического процесса – конечная форма представлена аттрактором в морфогенетическом поле. Он постулирует, что каждый объект, или физическая форма, может быть представлен таким аттрактором и что весь морфогенез «может быть описан через исчезновение аттракторов, представляющих начальные формы, и их замещение путем захвата аттракторами, представляющими конечные формы».[89]89
  Там же, с. 320.


[Закрыть] Для разработки топологических моделей, которые соответствуют частным морфогенетическим процессам, найдены формулы в результате сочетаний проб и ошибок с вдохновенными догадками. Если математическое выражение дает слишком много решений, в него должны быть введены ограничения; а если функция слишком ограничена, вместо нее используется более общая функция. С помощью таких методов Том надеется со временем получить возможность построить топологические выражения, которые соответствуют деталям реальных морфогенетических процессов. Но даже если эта надежда оправдается, такие модели, вероятно, не позволят делать количественные предсказания. Их главная ценность в том, что они могут привлечь внимание к формальным аналогиям между различными типами морфогенеза.[90]90
  Thom (1975b).


[Закрыть] На первый взгляд для этого топологического подхода кажется наиболее приемлемым математический формализм теории информации. Но на самом деле область применения теории информации очень ограниченна. Изначально она была разработана инженерами телефонных устройств в связи с передачей посланий от источника через канал к приемнику; она занималась главным образом тем, как характеристики канала влияют на количество информации, которая может быть передана за данное время. Один из основных результатов состоит в том, что в закрытой системе приемнику не может быть передано информации больше, чем содержалось в источнике, хотя форма информации может быть изменена, например, от точек и тире азбуки Морзе можно перейти к словам. Информационное содержание события определяется не тем, что случилось, но лишь по его отношению к тому, что могло бы случиться вместо него. Для этого обычно используются бинарные символы, и тогда информационное содержание передаваемого образа определяется числом положительных или отрицательных решений, которое требуется для выбора класса этого образа среди известного числа классов.

В биологии эта теория имеет некоторое отношение к количественному исследованию передачи импульсов нервными волокнами; в меньшей степени она относится к передаче последовательности оснований ДНК родителей к ДНК их потомства, хотя даже в таком простом случае она может приводить к серьезным ошибкам, поскольку в живых организмах случаются события, которые не происходят в телефонных проводах: мутации генов, инверсии частей хромосом, транслокации и др. Но теория информации неприложима к биологическому морфогенезу: она рассматривает только передачу информации в закрытых системах и не может допустить, чтобы при этом происходило увеличение количества информации.[91]91
  Обсуждение границ применимости теории информации в биологии имеется у Уоддингтона (Waddington, 1975, с. 209–230).


[Закрыть] Развивающиеся организмы – это не закрытые системы, и их развитие эпигенетично, то есть сложность формы и организации возрастает.[92]92
  Эпигенез – зародышевое развитие с постепенным новообразованием органов. Теорию эпигенеза обосновал один из родоначальников эмбриологии К. Ф. Вольф – немец по происхождению, с 1767 года работавший в Петербургской Академии наук. В своей книге «Теория зарождения» (1759) на основе данных о росте растений и развитии животного эмбриона Вольф показывает, что в зародыше органы не предсуществуют, а развиваются в определенной последовательности и при этом про исходит образование новых форм. Эпигенез близко подходит к пониманию развития как возникновения новых качеств. В XVIII веке эпигенетические представления развивали также П. Мопертюи, Дж. Нидхэм, в России – А. Н. Радищев и другие ученые. – Прим. пер.


[Закрыть] Хотя механистически мыслящие биологи часто говорят о «генетической информации», «позиционной информации» и т. д., как будто эти термины имеют какое-то вполне определенное значение, это не более чем иллюзия: они лишь заимствуют жаргон теории информации, пренебрегая ее научной строгостью.

Однако, даже если бы каким-либо методом могли быть построены достаточно детальные математические модели морфогенетических процессов и даже если бы они давали предсказания, согласующиеся с экспериментальными фактами, все же оставался бы вопрос, чему эти модели соответствуют. Тот же вопрос ставится самим фактом согласия математических моделей с эмпирическими наблюдениями в любой области науки.

Один из ответов дает математический мистицизм пифагорейского типа: считается, что Вселенная зависит от фундаментального математического порядка, который каким-то образом порождает все эмпирические феномены; этот трансцендентный порядок выявляется и становится доступным пониманию только с помощью математических методов. Несмотря на то что такая позиция редко высказывается в явном виде, она пользуется большим влиянием в современной науке и, более или менее завуалированная, часто встречается среди математиков и физиков.

Другой вариант ответа состоит в том, что соответствие моделей эксперименту объясняется тенденцией нашего ума искать и находить порядок в опыте: упорядоченные структуры математики, творения человеческого разума накладываются на опыт, и те из них, которые не согласуются с опытом, отбрасываются; таким образом, в результате процесса, напоминающего естественный отбор, сохраняются математические формулы, которые дают наилучшее соответствие. С этой точки зрения научная деятельность направлена только на разработку и эмпирическую проверку математических моделей более или менее изолированных и определяемых объектов нашего мира; она не может привести к фундаментальному пониманию реальности.

Однако в отношении проблемы формы существует иной подход, который не нуждается ни в принятии пифагорейского мистицизма, ни в отказе от возможности объяснения. Если формы вещей должны быть поняты, они могут быть объяснены не обязательно на языке чисел, но с помощью более фундаментальных форм. Платон считал, что формы в мире чувственного опыта подобны несовершенным отражениям трансцендентных, архетипных Форм, или Идей. Но эта доктрина, испытывающая сильное влияние мистицизма пифагорейцев, не могла объяснить, как вечные Формы относятся к миру изменчивых явлений. Аристотель полагал, что эту проблему можно разрешить, рассматривая формы вещей скорее как имманентные, нежели как трансцендентные: специфические формы не только были присущи объектам, но фактически были причиной того, что объекты принимали характерные формы.

Такая альтернатива пифагорейскому мистицизму была предложена в современных немеханистических теориях морфогенеза. В системе Дриша, которая явно опиралась на систему Аристотеля, специфические формы живых организмов возникают в результате действия неэнергетического фактора, энтелехии. Морфогенетические поля и хреоды органицистов играют подобную же роль в направлении морфогенетических процессов к созданию специфических конечных форм. Но природа этих полей и хреод до сих пор оставалась неясной.

Эта неясность может быть отчасти обусловлена платоновской тенденцией большей части организмической мысли,[93]93
  Многочисленные примеры сочетания аспектов организмической философии с явно неоплатоническими рассуждениями содержатся у Райера (Ruyer, 1974)) в его сообщении о малых неогностических группах в США, среди членов которых было много выдающихся ученых.


[Закрыть] наиболее отчетливо представленной в философской системе Уайтхеда. Уайтхед постулировал, что все подлинные события включают то, что он назвал Вечными Объектами; последние в совокупности образуют сферу возможности и включают все возможные формы; действительно, они сильно напоминают платоновские Формы.[94]94
  Emmett (1966).


[Закрыть] Но, очевидно, метафизическое понятие метафизических полей как аспектов платоновских Форм, или Вечных Объектов, не особенно ценно для экспериментальной науки. Только если они рассматриваются как физические сущности, которые производят физические эффекты, они могут помочь прийти к научному пониманию морфогенеза.

Организмическая философия включает как биологию, так и физику; следовательно, если принимается, что морфогенетические поля играют причинную роль в биологическом морфогенезе, они также должны играть причинную роль в морфогенезе более простых систем, таких как кристаллы и молекулы. Такие поля не признаются в существующих физических теориях. Поэтому важно исследовать вопрос о том, в какой степени эти теории способны объяснить морфогенез чисто химических систем. Если они могут обеспечить адекватное объяснение, тогда идея морфогенетических полей не представляет интереса; но если не могут, тогда открыт путь для новой гипотезы причинности формы через морфогенетические поля, как в биологических, так и в небиологических системах.

3.2. Форма и энергия

В ньютоновской физике вся причинность рассматривалась на языке энергий, с позиций принципа движения и изменения.

Все движущиеся вещи имеют энергию – кинетическую энергию движущихся тел, тепловые колебания и электромагнитное излучение, – и эта энергия может вызывать движение других тел. Покоящиеся вещи также могут обладать энергией, а именно потенциальной энергией, обусловленной их стремлением к движению; они покоятся лишь потому, что их удерживают силы, противостоящие этому стремлению.

Предполагалось, что гравитационное притяжение зависит от силы, которая действует на расстоянии, вызывая движение тел или сообщая им стремление к движению, или потенциальную энергию. Однако причина существования самой этой силы притяжения оставалась неизвестной. В противоположность этому сейчас гравитационные и электромагнитные явления объясняются на языке полей. В то время как ньютоновские силы мыслились как возникающие каким-то неизвестным образом из материальных тел и распространяющиеся из них в пространстве, в современной физике первичными считаются поля: они лежат в основании как материальных тел, так и пространства между ними.

Картина усложняется тем, что имеются поля различных типов. Во-первых, гравитационное поле, которое в общей теории относительности Эйнштейна приравнивается к пространству-времени, и считается, что оно искривляется в присутствии вещества. Вовторых, электромагнитное поле, в котором локализованы электрические заряды и через которое электромагнитные излучения распространяются как вибрационные возмущения. Согласно квантовой теории, эти возмущения есть подобные частицам фотоны, связанные с дискретными квантами энергии. В-третьих, в квантовой теории поля вещества субатомные частицы рассматриваются как кванты возбуждения материальных полей. Каждый сорт частиц имеет свой особый вид поля: протон – это квант протон-антипротонного поля, электрон – квант электрон-позитронного поля и так далее.

В этих теориях физические явления объясняются с помощью комбинации концепций пространственных полей и энергии, а не только на языке энергий. Таким образом, хотя энергия может считаться причиной изменения, порядок изменения зависит от пространственной структуры полей. Эти структуры производят физические эффекты, но они сами по себе не являются видами энергии; они действуют как «геометрические», или пространственные, причины. Принципиальное различие между этой идеей и представлением об исключительно энергетической причинности иллюстрируется контрастом между теориями гравитации Ньютона и Эйнштейна: например, согласно первой теории, Луна движется вокруг Земли, потому что притягивается к ней силой притяжения; согласно второй – Луна делает это, поскольку искривлено само пространство, в котором она движется.

Рис. 6. Диаграмма, представляющая нестабильное (А), стабильное (В) и отчасти стабильное (С) состояния

Современное понимание структуры химических систем зависит от представлений квантовой механики и электромагнетизма; гравитационные эффекты незначительны, и ими можно пренебречь. Возможные способы соединения атомов друг с другом даются известным из квантовой механики уравнением Шредингера, которое позволяет рассчитывать орбитали электронов на языке вероятностей; в квантовой теории поля вещества эти орбитали могут рассматриваться как структуры в электрон-позитронном поле. Но поскольку электроны и ядра атомов несут электрический заряд, они также связаны с пространственными структурами электромагнитных полей и, следовательно, с потенциальными энергиями. Не все возможные пространственные сочетания данного числа атомов имеют одинаковую потенциальную энергию, и только сочетание с наименьшей потенциальной энергией будет стабильно по причинам, указанным на рис. 6. Если система находится в состоянии с энергией большей, чем в возможных альтернативных состояниях, любое малое смещение (например, из-за теплового возбуждения) приведет к ее переходу в другое состояние (А). Если, с другой стороны, она находится в состоянии с энергией меньшей, чем в возможных альтернативных состояниях, после небольшого смещения она вернется в это исходное состояние, которое будет стабильным (В). Система может также временно находиться в состоянии, которое не является наиболее стабильным до тех пор, пока она не сдвинута выше «порогового» уровня (С); когда это случается, она переходит в более стабильное состояние с меньшей энергией.

Эти энергетические соображения определяют, какое состояние химической структуры является наиболее стабильным, но они не объясняют пространственные характеристики этого состояния; эти характеристики представлены на рис. 6 как линии, по которым катится шарик и которые действуют как барьеры, ограничивающие его движение. Эти барьеры зависят от пространственных структур, образуемых полями вещества и электромагнетизма.

Согласно второму закону термодинамики, спонтанные процессы в закрытой системе стремятся к состоянию равновесия; когда это происходит, изначальные различия в температуре, давлении и т. д. между различными частями системы стремятся к нулю. На техническом языке энтропия изолированной макроскопической системы либо остается постоянной, либо возрастает.

Значение этого закона в популярных изложениях часто преувеличивается; в частности, термин «энтропия» употребляется как синоним «беспорядка». Тогда возрастание сложности организации, происходящее в процессе эволюции и развития живых организмов, оказывается противоречащим принципу возрастания энтропии. Это затруднение возникает из-за непонимания границ применения науки термодинамики. Во-первых, он применим только к закрытым системам, тогда как живые организмы – это открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Во-вторых, он имеет дело только с внутренними отношениями между теплом и другими формами энергии: он применим к энергетическим факторам, которые влияют на химические и биологические структуры, но не объясняет возникновения этих структур. И в-третьих, техническое определение энтропии слабо связано с каким-либо нетехническим понятием беспорядка; в частности, оно не имеет отношения к порядку того типа, который существует в химических и биологических системах. Согласно третьему закону термодинамики, при абсолютном нуле температуры энтропии всех чистых твердых кристаллических веществ равны нулю. С термодинамической точки зрения они совершенно упорядочены, поскольку в этом случае нет беспорядка, обусловленного тепловым возбуждением. Но все они упорядочены одинаково: нет различия в энтропии между простым кристаллом соли и кристаллом чрезвычайно сложной органической макромолекулы, такой как гемоглобин. Это означает, что большая структурная сложность последней не может быть измерена с помощью энтропии.

Контраст между порядком в смысле химической или биологической структуры и термодинамическим порядком вследствие неравных температур и т. д. в большой системе, состоящей из бесчисленных атомов и молекул, можно проиллюстрировать на примере процесса кристаллизации. Если раствор соли в сосуде поместить в охлаждаемый объем, то при охлаждении раствора соль кристаллизуется. Вначале составляющие его ионы равномерно распределены в растворе, но, когда происходит кристаллизация, они упорядочиваются в кристаллах, и сами кристаллы также упорядочиваются, образуя макроскопические симметричные структуры. С морфологической точки зрения произошло значительное увеличение порядка; но с точки зрения термодинамики имеет место уменьшение порядка, возрастание энтропии, вследствие выравнивания температуры в системе (раствор и его окружение) и высвобождения тепла в процессе кристаллизации, что приводит к увеличению теплового возбуждения молекул растворителя.

Подобным же образом, когда эмбрион животного растет и развивается, происходит возрастание энтропии термодинамической системы, состоящей из эмбриона и окружения, из которого он получает питание и в которое он отдает тепло и выделяет продукты обмена. Второй закон термодинамики подчеркивает эту зависимость живых организмов от внешних источников энергии, но он никак не может объяснить их специфические формы.

Используя наиболее общие термины, можно сказать, что форма и энергия обратно пропорциональны друг другу: энергия есть принцип изменения, а форма, или структура, может существовать лишь до тех пор, пока она сохраняет определенную стабильность и сопротивление изменению. Это противостояние вполне очевидно в отношении между состояниями вещества и температурой. При достаточно низких температурах вещества существуют в кристаллических формах, в которых организация молекул демонстрирует высокую степень регулярности и порядка. Когда температура повышается, тепловая энергия в некоторой точке вызывает разрушение кристаллической формы, твердое вещество плавится. В жидком состоянии молекулы располагаются в короткоживущих (преходящих) структурах, которые постоянно смещаются и изменяются. Силы между молекулами создают поверхностное натяжение, которое придает простые формы жидкости в целом, как в сферических каплях. При дальнейшем повышении температуры жидкость испаряется; в газообразном состоянии молекулы изолированы и ведут себя более или менее независимо друг от друга. При еще более высоких температурах сами молекулы распадаются на атомы, а при дальнейшем повышении температуры даже атомы распадаются с образованием газа из смеси электронов и атомных ядер или плазмы.

Если эта последовательность рассматривается в обратном порядке, то по мере понижения температуры появляются все более сложные и организованные структуры, вначале наиболее стабильные и в конце наименее стабильные. Когда плазма охлаждается, соответствующие количества электронов собираются вокруг атомных ядер на своих орбиталях. При более низких температурах атомы соединяются в молекулы. Затем, по мере того как газ конденсируется в капли, в игру вступают супрамолекулярные[95]95
  Супрамолекулярные (от лат. supra – сверх, больше, над) – сверх– или надмолекулярные силы, в результате действия которых молекулы объединяются в структуры более высокого, надмолекулярного уровня организации. – Прим. пер.


[Закрыть] силы. Наконец, когда жидкость кристаллизуется, устанавливается высокая степень супрамолекулярного порядка.

Эти формы появляются самопроизвольно. Их нельзя объяснить на языке внешней энергии, кроме как в негативном смысле – что они могут возникнуть и существовать только ниже некоторой температуры. Их можно объяснить через внутреннюю энергию только до той степени, что из всех возможных структур будет стабильна лишь та, которой соответствует наименьшая потенциальная энергия, поэтому система будет стремиться спонтанно принять именно такую структуру.