О специфике биологии

32

Реферат

По философии

Тема «О специфике биологии»

План реферата

Введение

О проблеме соотношения биологии и физики

Механицизм и витализм

Принцип дополнительности Нильса Бора

Жизнь и второе начало термодинамики

О перспективах синтеза биологии и физики

Вывод

Литература

Введение

В XX век биологическое познание ушло от традиционного изучения одной лишь организменной формы биоорганизации. Начала стремительно развиваться суборганизменная область биологических исследований - сфера изучения «нижних этажей» организации и функционирования живого, своеобразного микромира биологических объектов. Большие успехи на этом пути во многом были определены широким использованием в биологических исследованиях методов физики, химии и математики. Зафиксированы существенные методологические изменения в сфере биологического познания, которые привели к признанию принципиальной возможности широкого использования в изучении жизни концепции точных наук, методов физики и химии. [1]

Грандиозные успехи в физической интерпретации многих сугубо биологических явлений - наследственности, ферментативного катализа, самовоспроизведения - дали основание считать, что отныне биологию ожидает полное поглощение физикой. Известный физик Р.Фейнман утверждает: «Все тела состоят из атомов, все, что происходит в живых существах, может быть понято на языке движений и покачиваний атомов» [2] Эта позиция встретила самое решительное неприятие как со стороны физиков, так и биологов. Некоторые из них даже стали утверждать о необъяснимости факта существования жизни с точки зрения основных законов современной физики.

Однако на рубеже 50-60-х годов в биологии и за ее пределами происходят события, заставившие серьезным образом отнестись к проблеме соотношения биологии и физики. В биологии это прежде всего резко возросшая потребность в теоретизации всех ее областей. Как внутренние законы развития науки, так и запросы практики требовали упорядочения гигантского эмпирического материала, накопленного эмбриологией, физиологией высшей нервной деятельности, этиологией, экологией и др. Многие ученые в поисках новых идей и методов обратились к таким теориям, как теория информации, теория систем, теория автоматического регулирования и т.д., заговорили о возможности существования различных стратегий исследования жизни.

Выяснилось, что отношения между различными научными областями и различными этапами исторического развития каждой из областей могут носить весьма сложный и разнообразный характер. Возникла идея о создании теории меж- или интертеоретических отношений. Ясно, что в этих условиях анализ проблемы соотношения биологии и физики приобретает ценность, далеко выходящую за пределы интересов только биологии и физики. Итак, в силу самых разных причин проблема соотношения биологии и физики выдвинулась в 60-е - 70-е годы в число одной из центральных в философии науки. Следует также отметить огромную социальную значимость продуманного решения этой проблемы. От него в немалой степени зависит оценка перспективности тех или иных направлений и даже исследовательских стратегий в познании живого.

Эта тема является актуальной и лично для меня. Я закончив физический факультет, занимаюсь биофизическими исследованиями. Я часто слышу как от физиков, так и от биологов, что я занимаюсь не своим делом, что это неинтересно и никому не нужно, и более того, что я не достигну какого-либо достоверного, полезного результата, что физик просто не может сделать открытие в области биологии. Я отвечала на все это тем, что мне как физику важен метод исследования (в моем случае это рентгеновское рассеяние, ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс), а объект (растворы глобулярных белков) может быть любой, тем более я изучаю биологические объекты на атомно-молекулярном уровне in vitro , где они уже перестают быть живыми биологическими объектами. Но не все так просто. Оказывается вопрос о возможном соотношении и взаимодействии двух наук, физики и биологии, уже давно волнует умы многих великих ученых. Существует огромное количество мнений и концепций, в которых я сделала попытку разобраться.

О проблеме соотношения биологии и физики

Естественно начать обсуждение вопроса о соотношении биологии и физики с четкого определения этих областей знания. И та и другая области представляют собой чрезвычайно разветвленную сеть научных дисциплин, связи между которыми носят далеко не однозначный характер. Определим физику как совокупность научных дисциплин, изучающих явлений неживой природы и элементарные акты этих явлений. Соответственно биология охватывает всю совокупность современных научных дисциплин, изучающих живую природу на всех уровнях ее организации: от молекулярно-клеточного до биосферы в целом. Но "на всех уровнях биологической организации - от уровня нуклеопротеида, и до уровня человеческого организма - мы неизменно сталкиваемся с невозможностью однозначно провести границу между живым и неживым" [3, С. 186]

Чаще вопрос о соотношении этих двух наук формулируют так: возможно ли на основе принципов и законов физики дать полное объяснение феномена жизни, т.е. можно ли все свойства жизни логически вывести из основных законов и принципов физики на основе знания физических и химических свойств атомов и молекул, образующих биологические системы.. Советский биофизик Волькенштейн М.В. приводит несколько ответов на этот вопрос [4]. Первый ответ положительный, второй ответ - физических законов и принципов недостаточно, но дальнейшее развитие физики явлений жизни, биофизик, приведет к открытию физических принципов и законов, не противоречащих ранее установленным, но новых для физики. Третий ответ полностью отрицателен - ни сейчас, ни в будущем физика не сможет решать биологические проблемы, ибо жизнь существует в соответствии с биологическими законами, которые не могут быть истолкованы на физико-химической основе. Это концепция витализма, широко распространенная в биологии. Наконец особое место автор отводит идеям Нильса Бора, которые мы рассмотрим ниже.

И физика и биология - в высшей степени динамические образования, между которыми существуют многочисленные и разносторонние связи. Кроме того, они - часть человеческой духовной культуры. Они непрерывно испытывают на себе влияние философии и методологии. В то же время, взаимодействуя, изменяясь, биология и физика вносят свой вклад в более глубокое понимание человеком объективного мира как целого и своего места в нем.

Долгое время биологию рассматривали как чисто описательную науку в противоположность физике - науке объяснительной. Считалось, что биология - область знания, имеющая дело исключительно с «естественной историей» (земных организмов), тогда как физика - наука, изучающая вечные и неизменные законы природы.

Физика, конечно действует всюду, но мы еще не знаем особых «качественно отличных» физических закономерностей живого, и познание их - дело будущего. И ни в коем случае не стоит «сводить» биологию к физике. Но апелляция к недостатку знаний является тривиальной истиной. Для нас важно установить: встретилась ли уже существующая сегодня физика с реальными границами своей применимости при исследовании живого организма? Новые физические представления возникают именно тогда, когда старые натыкаются на такие границы. И здесь дело не в «сводимости» или «несводимости», а в выходе на перекресток физики и биологии, в нахождении области их перекрывания. Конечно никому не придет в голову утверждать, что кристалл кварца и живая лягушка не имеют качественных различий. Но познаваемы ли и кристалл и лягушка средствами единого точного естествознания?

Вся история науки показывает, что ее развитие в громадной степени определяется именно выходами на перекрестки, нахождением новых связей. Напротив, любые попытки отгородить одну область знания от другой под флагом «несводимости» мешали науке. Следует установить где и как физика и биология выходят на скрещение своих путей, что вносит в биологию весь комплекс идей экспериментальной и теоретической физики. Методологов науки интересуют проблемы “теоретизации биологии, пути и методы скорейшего превращения науки о живом в такую же универсально объясняющую и предсказывающую научную дисциплину, что и современная теоретическая физика, способная сейчас, как известно, достаточно точно, однозначно и определенно предсказать поведение любых (неживых) объектов. В биологии же даже мельчайший вирус (например, гриппа), уже не говоря о более сложно организованных живых существах, почти сплошная загадка, неизвестное, иногда даже чудо” [8, С. 278].

Теории и даже целые научные области могут различаться между собой не только потому, что они описывают различные группы явлений, а потому, что при их создании принимаются различные философские предпосылки. Или иными словами, науки могут различаться потому, что 1)они описывают свои объекты как существующие в различных мирах (т.е. у них разная онтология); 2) в различных познавательных формах (различаются с гносеологической точки зрения); 3) используют различные приемы и способы выдвижения и обоснования своих положений (различие с логико-методологической точки зрения). Таким образом перед нами стоит философский вопрос: является ли биология наукой той же логической природы, что и физика?

Считается, что центральные онтологические понятия физики - это понятия материи, пространства, времени и причинности. Мир физики - это материальный мир различного рода причинных взаимодействий, расчлененный отдельные слои, которые исследуются по отдельности. Основным методологическим принципом физического познания является чисто редукционистский принцип: объяснение свойств целого на основе анализа принципа его частей и познания законов их взаимодействия. Причем законы физики таковы, что операции объяснения и предсказания с логической точки зрения симметричны: из одного набора утверждений можно логически вывести другой набор, представляющий собой объяснимое (уже известное) или предсказуемое (еще не наблюдавшееся) явление. Причем предсказание и объяснение событий может быть осуществлено только на основе событий предшествующих им по времени.

По любому из этих признаков научности биология может совпадать и не совпадать с физикой. Клетки и организмы, изучаемые в биологии, являются макроскопическими системами, построенными из множества атомов и молекул. Объем самой малой клетки - Mycoplasma laidlavii - в 10⁹ раз больше объема атома. Следовательно, биологическая физика клетки и организмов не может иметь непосредственного отношения к физике микромира - к квантовой механике. В компетенцию квантовой механики применительно к биологии входит изучение структуры и свойств атомов и молекул, выполняющих биологические функции. [5]

Мир биологии - это мир непрерывно исторически развивающейся иерархии организованных сущностей: индивидов, популяций, биоценозов и всей биосферы. К числу фундаментальных категорий биологии относятся понятия целостности, функции, целенаправленности. Соответственно в методологии биологии важнейшее место принадлежит принципам историзма и целостности. А формы, в которые отливаются результаты биологического познания, отличаются как по своей логической структуре, так и по познавательным функциям [5]. Биология как теоретическая система является системой представлений, которые не могут быть выведены одна из другой и не могут быть обобщены столь успешно, чтобы создать какую-то общую биологическую (или физическую) теорию, из которой можно было бы вывести их как следствия [7].

Определенная часть авторов считает, что все специфические понятия биологии носят описательный характер, и они приходят к выводу, что жизнь познаваема в тех же онтологических схемах и под руководством тех же методологических принципов, что и познание физических явлений. Конечным же результатом развития биологии будет то, что она станет частью физики.

Однако в литературе существует и прямо противоположная позиция, согласно которой ни в одном из этих пунктов биология не совпадает с физикой. Так, Г.П. Щедровицкий считает, что сложные системы, с которыми имеет дело биология “не могут быть охвачены исследованиями традиционного естественнонаучного типа и не могут быть представлены в формах традиционных теорий. По его мнению эти объекты “нужно анализировать принципиально иначе, нежели описывались объекты физических теорий, что сами эти объекты будут представлены в существенно иных онтологических картинах, нежели объекты классической физики, и описывающие их теории будут иметь иную логическую структуру, нежели физические теории.” [9]

Лисеев И.К. в [10] полемизирует с подобными взглядами: «при движении познания в глубь биологического организма, при анализе его молекулярных и клеточных структур происходит не передача функций биологии другим наукам, а очередное расширение понимания предмета собственно биологической науки, расширение поля ее исследовательской деятельности, включение в это поле новых исследовательских объектов»[10, С. 106].

Между этими двумя крайними позициями, которые можно было бы назвать радикальным редукционизмом и радикальным антиредукционализмом, существует большое число различных промежуточных позиций. Две из них заслуживают быть отмеченными. Это позиция “мягкого” редукционизма и концепция “мягкого” антиредукционизма. Согласно первой из них биология сохраняет и навсегда сохранит свою специфичность предметного содержания. Но по мере развития она все больше будет походить на физику по основным своим логико-методологическим и гносеологическим параметрам. А согласно второй не только предметное содержание, но и особенности осуществляемых в ее рамках процедур сохранят свое своеобразие. Нейтральную позицию занимает Н.П. Депенчук, заявляя, что “физические и биологические представления большей частью сосуществуют в биологии, в ряде случаев пользуются взаимными услугами, но не сводятся друг к другу” [7, С. 268].

М.В. Волькенштейн, считая, что физика может и должна объяснить явления жизни, выделяет следующие главные задачи, стоящие перед физикой:

раскрытие общих законов поведения открытых неравновесных систем, т.е. установление термодинамических основ жизни.

теоретическое истолкование явлений эволюционного и индивидуального развития.

непосредственно связанное с этим объяснение явлений саморегуляции и самовоспроизведения.

раскрытие природы биологических процессов на атомно-молекулярном уровне, т.е. выяснение связи между строением и биологической функциональностью белков, нуклеиновых кислот и других веществ, действующих в клетках. Изучение физических явлений в живых системах на более высоком, надмолекулярном уровне, на уровне клеток и образующих их органоидов.

создание и теоретическое обоснование физических и физико-химических методов исследования биологически функциональных веществ и надмолекулярных структур, из них построенных.

физическое истолкование обширного комплекса физиологических явлений, в частности генерации и распространения нервного импульса, мышечного сокращения, рецепции внешних сигналов органами чувств, фотосинтеза и т.д.[5]

В исследовании этих общих и частных вопросов достигнуты крупные успехи. В то же время наука далека от подлинного понимания многих из перечисленных проблем. Причина этого состоит в чрезвычайной сложности живых систем и определяемой ею недостаточности биологических, биохимических, физиологических знаний. Строгая формулировка физической задачи, т.е. ее формулировка на основе общих законов физики и атомно-молекулярных представлений возможна в биологии пока лишь в ограниченном числе случаев. Ряд кардинальных проблем биологии еще очень далек от физики и химии. Так, мы почти ничего не знаем материальной природе высшей нервной деятельности - о природе памяти и мышления высших позвоночных или сложного инстинктивного поведения насекомых.

Перечисленные проблемы представляют предмет биофизики. Эта наука превращается в наше время из вспомогательной области биологии в подлинную физику явлений жизни. Однако многие биологи считают, что задача биофизики состоит в применении физических методов исследования в биологии. Физические методы применяются в биологии чуть ли не с момента ее возникновения. Микроскоп - сложнейший физический прибор, а обычный медицинский градусник! Дело, конечно, не в методах. Биофизическое исследование начинается с постановки физической задачи, относящейся к явлениям жизни. Эта задача может решаться и иными, например биологическими или химическими методами. Важно то что исследователь стоит на позициях физики. [4]

Метод, используемый для решения задач в новой области науки, испытывает определенную перестройку, модифицируется этой областью и иногда приводит к довольно значительным преобразованиям в данной науке. Это приводит к вычленению новой отрасли знания, с развитием которой метод приобретает специфичность и уже отличается от исходного. Так биофизика - результат слияния и взаимного преобразования биологических и физических методов, но, как отмечает Лисеев И.К [10], биофизика все равно остается биологической по своему статусу.

Механицизм и витализм

Много блестящих умов, возжелав во всеоружии рассудочной науки овладеть тайной сущности жизни, переступило черту «заколдованного круга», внутри которого жизнь, рассеченная грозным оружием вторгшихся завоевателей, распалась на «тело» и «душу», форму и энтелехию, предоставив им право выбора. С тех пор началась распря между механицистами и виталистами, которая не окончена и поныне [12].

Витализм считает, что явное отличие живого от неживого требует объяснения. Христианская религия признает наличие души у человека, но отказывает в ней другим живым существам. Буддизм более щедр - в своих перевоплощениях человек может стать и крокодилом и обезьяной. Еще щедрее идеалистическая биология: она исходит из существования особой жизненной силы, жизненного поля, энтелехии у любой бактериальной клетки. Жизнь совершенно особенна, познать ее природу средствами точного естествознания невозможно. «Такая концепция возникает в уме человека, пораженного удивительной целесообразностью живой природы, ее предельной упорядоченностью. Идеи эти очень цепки, от них не избавилась и современность». [6]

Механицизм понимается, как метод «сведения» сложных явлений к их более простым составляющим, метод разложения целого на части, неспецифичные для целого. Для такого подхода характерно отрицание качественной специфики более сложных материальных образований. [13]. Механицизм исходит из того, что высшая форма движения генетически возникает из низших, а эти низшие как побочные содержатся в высших: но отсюда механисты делают ошибочный вывод будто ничего принципиально нового и качественно отличного в этих высших формах вообще нет и что они целиком исчерпываются низшими.[11]

Исторически механицизм выступал в качестве господствующего направления научной мысли на протяжении 16-18 веков и составлял исторически обусловленную ограниченность естествознания. Эта ограниченность оправдана тем, что механика в то время была самой развитой наукой.

Ничего подобного этому спору в истории развития такой «нормальной науки» как физика, мы не наблюдаем. Развитие физики можно представить, как поступательное движение от простого к сложному, от единичного к всеобщему. Теоретическая физика сегодня представляет собой наиболее развитую и фундаментальную из всех естественных наук. Она имеет собственный фундамент в виде основных физических принципов и свой язык, в качестве которого выступает математика.

Здесь обнаруживается разительный контраст с биологией, для которой унификация пока что является несбыточной мечтой, а эффективность применения математического аппарата проблематичной. Развитие биологии идет скорее по кругу. Область биологических исследований возрастает и вовлекает в круг своих проблем едва ни весь арсенал научного знания, возрастает количество поразительных результатов этих исследований на фоне отсутствия реальных оснований для того, чтобы говорить о существовании теоретической биологии, сравнимой с теоретической физикой. Но почему нужно говорить о теоретической биологии как самостоятельной научной дисциплине? Может ее надо рассматривать как часть физики?

Идея сведения не только биологического, но и всего научного знания к предложениям физики была одним из важных пунктов неопозитивистской философии науки. Несмотря на крушение неопозитивизма в целом, идея редукционизма в биологии оказалась на редкость живучей. Объяснение этому следует искать в особенностях развития биологии, в том, что своим успешным развитием наука о живом слишком обязана теоретической физике, ее законам, принципам, методам.

Рассмотрение этой проблемы нужно начинать с другого вопроса: отличается ли предмет изучения биологии настолько, что можно было бы говорить о самостоятельной научной дисциплине. Или иначе: отличается ли живой организм от «куска горной породы» настолько, что можно было бы говорить о принципиальной несводимости живого организма к мертвому камню? Этот вопрос стоит перед наукой о живом со дня ее создания. В истории биологии строение живого вещества часто сравнивали со структурой кристалла, но ни разу еще живой организм не приравнивали к куску камня. Можно найти сравнение с механизмом (тончайшим, и одновременно - с пламенем горящей свечи) - у Леонардо да Винчи; с автоматом (приводящимся в движение особыми «животворными духами») - у Декарта. И вопрос не столько в том, отличается ли, а чем отличается живая природа от неживой. В ракурсе этого вопроса вся история биологии и представляется неоконченным до сих пор спором между механицизмом и витализмом [12].

«Организм оживотворяется тонким воздухоподобным веществом - пневмой, - считает Гиппократ. - Она проникает во все: ею же обусловлено горение, ею же стимулируется и жизненный процесс и мышление...». [14, С.47] Ему возражает Демокрит: «Живая материя соткана из тончайших и нежнейших материальных частиц - атомов. Ими живет весь организм» [14, C. 42]. Этот спор между виталистом и атомистом (представляющим позицию механицизма) можно считать достаточно типичным для указанной «тяжбы», он с небольшими вариациями, происходивших под действием новых научных достижений дошел до наших дней без существенных изменений.

Физики, работающие в области биологических проблем, склонны считать, что редукционизм имеет значительные основания в биологии. В настоящее время представление о соотношении физики и биологии изменились. Считается, что чисто механический перенос невозможен. Использование физических идей и представлений состоит в том, что биология на их основе создает свои собственные теоретические представления, вырабатывает способы описания объекта, отличные как от физических, так и от традиционно биологических. Такая точка зрения предполагает новые формы соотношения биологии и физики, предполагает органическое слияние методов.

Н.П. Депенчук выделяет [7, С. 270] аргументы в защиту невозможности полного сведения биологии к физике, основанные на том, что биологический объект нельзя интерпретировать как физический потому, что:

Встречаются определенные и постоянные отклонения в живых организмах от законов физики.

Выявляются специфические условия для проявления физических законов живом.

Живое представляет собой радикально неоднородные системы как относительно структуры, так и относительно динамики.

Биологические системы с точки зрения физики представляются неопределенными и непредсказуемыми в силу своей сложности. Это свидетельствует о неэквивалентности физического и биологического исследования, о неадекватности законов биологии и физики. Этот вывод указывает на принципиальные трудности в построении исчерпывающей биологической теории физическими методами.

Далее автор [7, С.271] справедливо отмечает, что для исследования биологической системы ее необходимо разрушить, но тогда анализ ее станет бесполезным. Но наука не имеет других путей исследования своих объектов, кроме их анализа. Таким образом, автор отмечает противоречие между поставленной задачей (познанием жизнедеятельности) и средствами ее решения (аналитическими методами исследования) и предлагает следующую схему познания сложных биологических явлений:

Вычленение некоторых элементарных процессов и отношений, которые являются основой биологического явления.

Более точные (насколько возможно) измерения ряда основных параметров и абстрагирование от свойств, отношений и параметров, которые не представляются основными.

Конструирование на основе описания элементарных явлений или процессов сложного явления.

Но здесь возникают трудности относительно: 1) выбора элементарных моделей, 2) допустимой степени упрощения, 3) раскрытия характера связи элементарной модели со сложным явлением, 4) перехода от элементарной модели к интерпретации сложного явления. Путей решения этих трудностей автор не дает, указывая только на то, что такой подход дает положительный результат при исследовании минимальных участков живой системы, т.е. исследования на молекулярном уровне. Возрастание количества таких исследованных участков не восполняет потери, т.к. от исследователя ускользает главное - характер их связи. Обратная реконструкция не может быть достигнута суммированием полученных результатов; всегда выявляется, что исследователь при выделении участка исследования уничтожил то, что представляется самым важным в разгадке исследуемого явления.

Принцип дополнительности Нильса Бора

«Единственный способ примирить законы физики с понятиями, пригодными для описания явлений жизни, - это разобраться в существенных различиях между условиями наблюдения явлений, изучаемых в физике и биологии...» [16, С.36]. Нильс Бор решил задачу «примирения» оригинальным образом, он вводит термин «дополнительности», он подчеркивает тот факт, что взятые вместе явления, наблюдаемые при разных условиях исчерпывают всю поддающуюся определению информацию об объектах. [16, С. 135]

Бор сформулировал принцип дополнительности сначала как обобщение открытий квантовой механики. Согласно этому принципу изучение материального мира встречается с дополнительными понятиями и характеристиками. Так, в квантовой механике дополнительными являются координаты и скорости микрочастиц. Это означает, что каждая из этих величин может быть измерена порознь со сколь угодно высокой точностью, но одновременное их точное измерение невозможно. Точное измерение положения электронов делает принципиально невозможным определение его скорости и наоборот.

Для Н. Бора дополнительность есть выражение диалектики, присущей реальному миру и его познанию. «Дополнительный способ описания в действительности не означает произвольного отказа от привычных требований, предъявляемых ко всякому объяснению: напротив, он имеет целью подходящее диалектическое выражение действительных условий анализа и синтеза в атомной физике» [15, С. 397]

По мысли Бора, дополнительность выходит далеко за пределы строгой квантово-механической теории - в самых разных областях естествознания, психологии, социологии, философии мы встречаемся с необходимостью двойственного, диалектического описания и исследования. Мы вынуждены пользоваться несовместимыми, но дополняющими друг друга понятиями. Конечной причиной дополнительности является то, что мы воспринимаем и изучаем реальный мир, материю, будучи сами его частью [15].

Опираясь на концепцию дополнительности Бор неоднократно обсуждал проблему жизни и возможности ее физического исследования. Бор считал биологические законы дополнительными к тем, которым подчиняются неживые тела. «Всякая постановка опыта, которая позволила бы нам изучить поведение атомов, составляющих живой организм, столь же подробно, как мы это можем сделать для единичных атомов в опытах атомной физики, исключает возможность сохранить организм живым. Неотделимый от жизни непрерывный обмен материей делает даже невозможным подход к организму как к точно определенной системе материальных частиц, подобно тем системам, которые рассматриваются в описании физических свойств материи... Мы вынуждены принять, что собственно биологические закономерности представляют законы природы, дополнительные к тем, которые пригодны для объяснения неодушевленных тел.» [16, С. 36-37]. Иными словами, нельзя одновременно изучать атомно-молекулярную структуру клетки или организма и их поведение как целостных биологических систем. Бор рассматривал жизнь «как в отношении ее определения, так и наблюдения как основной постулат биологии, не поддающийся дальнейшему анализу...» [16, С.37].

Таким образом, биология и физика оказываются несовместимыми, хотя и не противоречащими друг другу. Автор сам охарактеризовал свою точку зрения одинаково далекой «от крайних учений механицизма и витализма. С одной стороны, она осуждает всякие сравнения живых организмов с машинами. С другой стороны, она отбрасывает попытки ввести какие-то специальные биологические законы, несовместимые с твердо установленными физическими и химическими закономерностями... Идея дополнительности не содержит произвольного отказа от привычного физического объяснения, но она непосредственно относится к нашему положению наблюдателей в такой области опыта, где однозначное применение понятий, используемых при описании явлений, существенно зависит от условий наблюдений.» [16, С. 37 ]

В дальнейшем Бор изменил свою точку зрения. Причиной этому послужили грандиозные события в развитии биологии: раскрытие молекулярной природы гена, природы наследственности. Вместо принципа дополнительности он стал говорить о дополнительности «между практически применяемыми в биологии соображениями физико-химического характера и понятиями, прямо связанными с целостностью организма и выходящими за рамки физики и химии» [16, С.107 ]. Реальная ситуация, таким образом определяется не постулативным характером понятия жизни, а чрезвычайной сложностью живого организма. Бор говорил лишь о практической (т.е. преодолимой) дополнительности биологии и физики [17, С.21]. «В биологии основания для дополнительного описания не связаны с проблемами контроля над взаимодействием между объектом и измерительным прибором...Таким образом , пока слово «жизнь» сохранится (будь то по причинам практического или гносеологического порядка), до тех пор двойственный подход в биологии несомненно сохранится» [17, С.21]. Бор отказывается от ранее сформулированных представлений, отмечая, что задача биологии не может состоять в том, чтобы учесть судьбу каждого из бесчисленного числа атомов, постоянно или преходяще присутствующих в организме. Удивление по поводу жизни сохранится, но происходит более глубокое понимание сущности процессов жизнедеятельности.

Жизнь и второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики говорит о стремлении любой системы к неупорядоченности, о мере вероятности состояния системы, содержащей много молекул. Но все ли в природе подчиняется этому началу? Но живая природа, кажется, не подчинена. Ведь в жизни - а она развивается самопроизвольно - все максимально упорядочено. Упорядочено расположение клеток и внутриклеточных структур, упорядочено и согласовано течение биохимических процессов в организме. В этом смысле организм и в целом жизнь антиэнтропны. Жизнь вносит термодинамический порядок в окружающий мир и непрерывно его воспроизводит. Здесь возникает разительное противоречие с термодинамикой. Нам надо ответить на вопрос о применимости термодинамики к живым системам.

Допустив, что организм действительно не подчиняется второму началу, мы встречаемся с очень большими научными и философскими затруднениями. Мы считаем, что жизнь на Земле возникла из неживой природы. Это важнейшее положение материалистического естествознания является общепринятым, оно детально и глубоко аргументировано. Но неживая природа подчиняется второму началу, а живая нет. Что же произошло с термодинамикой в момент возникновения жизни на Земле? Каков был акт творения? Или более общий вопрос: как возможна жизнь в мире, где действуют закон возрастания энтропии, ведущий прямо к деградации и смерти? В ходе обсуждения этого вопроса Леон Бриллюэн выделяет три группы мнений [18, С.8]. Представители первой группы считают, что имеющихся в арсенале науки физических и химических законов достаточно, чтобы с их помощью объяснить феномен жизни без привлечения какого-либо «жизненного начала». Вторая группа считает недостаточными наши познания в области физики и химии для объяснения явлений жизни. Третья группа считает, что «феномен жизни невозможно понять, не прибегая к «жизненному началу»...Наши законы термодинамики относятся к мертвым, инертным объектам; жизнь этому закону не подчиняется, а новое «жизненное начало» должно будет выявить те условия, в силу которых жизнь противоречит Второму закону термодинамики» [18, С.8].

Первая группа представлена очень широко. Мы рассмотрим только одного представителя этой группы - М.В. Волькенштейна. Он исходит из того, что мы совершенно забыли о точной формулировке второго начала. Оно справедливо лишь для системы изолированной, не подвергающейся внешними воздействиям. Никакое физическое тело нельзя полностью изолировать от внешнего мира; такая изоляция доступна лишь мысленному эксперименту. Однако можно его изолировать практически так, чтобы утечка или приток вещества и энергии были бы относительно малыми [6].

Термодинамика различает изолированные, замкнутые и открытые системы. Первые не обмениваются с окружающим миром ни веществом, ни энергией - для них-то и справедливы первое и второе начала. Вторые не обмениваются с внешней средой веществом, но энергообмен происходит. Открытые системы обмениваются с окружающей средой и веществом и энергией.

Живой организм - система принципиально открытая. Жизнь существует благодаря метаболизму - обмену веществ с окружающей средой. Живое существо дышит и питается, выделяет ряд веществ, получает и отдает тепловую энергию. Следовательно, второе начало не может выполняться в живом организме, рассматриваемом вне живого организма.

Констатировав это положение мы еще не преодолели всех трудностей. Нужно объяснить, за счет чего создается упорядоченность живого организма, чем она поддерживается. Чтобы в этом разобраться, нужно рассмотреть живой организм вместе с его окружением. В самом деле, если жизнь существует именно в результате обмена веществом и энергией с окружающей средой, то это означает, что интересующая нас особенность жизни - упорядоченность - возникает и существует в результате такого обмена. Лиши живое существо обмена - пищи, воды и воздуха - оно умрет, обратится в прах, и упорядоченность исчезнет. Так как оба начала термодинамики справедливы лишь для изолированных систем, то для физического анализа вопроса нужно изолировать живое существо вместе с некоторым запасом пищи, воды и воздуха и исследовать энтропийный баланс этой системы. Автор приводит хороший пример такой изолированной системы: космический корабль с находящимся на нем космонавтом. Упорядоченность его молекул и клеток непрерывно поддерживается подобранным определенным образом балансом пищи. Но в теле космонавта все время протекают биохимические реакции, т.е. возрастает энтропия. Для поддержания стационарного состояния избыток энтропии должен удаляться. Это происходит в результате обмена веществ и теплообмена. Поскольку корабль изолирован, выделяемая энтропия остается в корабле, т.е. энтропия среды непосредственно окружающей космонавта, все время возрастает. Но организм не может полностью избавится от своей энтропии, выделяя ее наружу. Он, будучи открытой системой, достигает некоторого стационарного состояния с определенным уровнем энтропии, когда дальнейшее производство энтропии в организме минимально.

Но возникает еще один вопрос. Стационарное состояние присуще зрелому здоровому организму, сохраняющему в течение некоторого времени свой вес, постоянство температуры, постоянство всех жизненных функций. Но организм возник из одной оплодотворенной яйцеклетки, которая разделилась на две, потом на четыре и т.д. , потом появился ребенок и стал расти. Что происходило в это время с энтропией и информацией?

Очевидно, упорядоченность организма все время возрастала, увеличивалась его информация и уменьшалась энтропия. Соответственно возрастала энтропия окружающей среды - и в значительно большей степени, чем после достижения стационарного состояния. Растущий организм можно уподобить кристаллу, растущему в жидкости при ее охлаждении. Увеличение порядка в кристалле оплачивается уменьшением порядка в окружающей среде. Потом достигается стационарное состояние - организм созрел. Но второе начало все-таки работает. Постепенно развиваются процессы деградации организма, начинает возрастать его энтропия, организм стареет и достигает равновесия - в смерти.

Представитель второй группы Э. Шредингер первым высказал скептическое мнение о возможности объяснения феномена жизни на основе существующих физических законов [19]. Он считает, что известных законов физики недостаточно, чтобы «объяснить те явления в пространстве и времени, которые происходят внутри живого организма», но это не означает, что они не будут объяснены в будущем. Известные физические и химические законы, играющие важную роль в описании жизни организмов, носят статистический характер. Но как в терминах статистической теории выразить удивительную способность живого организма задерживать переход к термодинамическому равновесию (смерти)?

Автор делает поправку на то, что живой организм приближается в своих проявлениях к чисто механическому (по контрасту с термодинамическим) поведению, к которому стремятся все системы, когда температура приближается к абсолютному нулю и молекулярная неупорядоченность снимается. Организму удается избежать перехода в инертное состояние благодаря способности извлекать упорядоченность из окружающей среды. Под упорядоченностью понимается энтропия, взятая с отрицательным знаком, т.е. организм питается отрицательной энтропией Но все равно наша статистическая физика не годится для описания молекулярной упорядоченности организмов. Нас не должны обескураживать трудности объяснения жизни с привлечением обыкновенных законов физики. Мы в праве предполагать, что живая материя подчиняется новому типу физического закона, причем этот закон должен одновременно являться принципом квантовой теории и в то же время не должен носить статистического характера.

Леон Бриллюэн - другой представитель второй группы мнений - попытался связать классическую термодинамику с теорией информации. Автор не сомневается в правильности второго закона термодинамики, а считает, что его надо уточнить. «Характерная черта второго закона состоит в том, что ему придана форма неравенства. Некоторая величина, называемая энтропией, не может уменьшаться (в определенных условиях...), но мы не знаем, когда она остается постоянной, когда увеличивается и с какой скоростью увеличивается. Именно поэтому ответы, которые дает нам второй закон, нередко носят уклончивый двусмысленный характер»[18, С.11-12]. Большое внимание Бриллюэн уделяет принципиальной проблеме невозможности измерения энтропии, заключенной в живом организме. Вывод аналогичен результатам размышлений Шредингера: нужно найти новый закон природы.

Еще один автор Альберт Дюкрок критикует термодинамику вообще [по 12]. Он определяет термодинамику как область систем, состоящих из «независимых компонентов», систем, «предоставленных анархии», а закон возрастания энтропии как «закон этой анархии». Дюкрок призывает не к поискам нового закона, как это делают Шредингер и Бриллюэн, а к созданию новой физики, способной описывать не статистические, а организованные системы с обратной связью, отличающиеся упорядоченностью, которую он называет асимметрией, и развитием, т.е. однонаправленностью и необратимостью изменений, происходящих в них. И это по плечу только кибернетике. Но кибернетика не располагает для этого особыми законами и принципами.

Чтобы иметь физическую теорию, сопоставимую с биологической эволюционной теорией, нужно разработать физическую термодинамическую теорию для открытых систем, и тогда можно будет предположить, что эволюция открытых физических и биологических систем строится на одних и тех же законах.

Представитель третьей группы мнений - К.С. Тричер - утверждает, что жизненные процессы являются антиэнтропийными и противоречат второму закону термодинамики [по 12]. Существует два типа физических законов: одни из них описывают только неживую природу, другие - только живую. По мнению Тринчера, живые молекулы - это нечто такое, что не может возникнуть из известной нам неживой материи, так как физика живой материи носит самостоятельный характер.

Идея двух типов физических законов порождает некую разновидность современного витализма, утверждающего абсолютную самостоятельность физики живой природы и неприменимость к ней известных физических законов, которые в мире живой природы просто прекращают свое действие [12].

Можно испытать удовлетворение по поводу того, что жизнь не противоречит термодинамике, но уж если человек заинтересовался физическими основами жизни, то он не остановится на термодинамике. Он захочет понять, как совершаются все эти чудеса. Как возникает организм из одной клетки , как он наследует свои основные признаки от предков? В чем состоит истинная природа жизненных явлений? Организм состоит из атомов и молекул, но какие их свойства создают это чудо - жизнь? Ответить на эти вопросы пытается новая наука - молекулярная биология. Это важнейший перекресток биологии, химии и физики. Выяснение молекулярных основ жизни - крупнейшее достижение научной мысли, радикально изменившее научной мировоззрение второй половины нашего века.

Изучая живые организмы, мы не встречаемся с какими-либо границами применимости физики. Но мы встречаемся с совершенно новыми для физики задачами, с такой степенью сложности, согласованности и организации явлений, которая требует новой мысли, нового научного мировоззрения.

О перспективах синтеза биологии и физики

Первые годы грандиозных успехов молекулярной биологии (расшифровка строения простейших белков, спиральной структуры нуклеиновых кислот и т.д.) создали представление, что все живое можно начисто свести к квантовой физико-химии. Однако сейчас возникают новые очень сложные вопросы теоретического объяснения динамики различных взаимодействий органических молекул, что же определяет механизм их взаимодействия? Требуются какие существенно новые характеристики как самих "живых" молекул, так и окружающей их среды [8, С. 281]. Теоретический анализ новых данных молекулярной биологии, возможно, позволит сформировать новые, более глубокие и синтезирующие понятия, которые смогут придать новое единство всему нашему современному естествознанию.

Поскольку теоретическая биология на уровне молекулярных процессов имеет тенденцию в какой-то степени быть также и теоретической физикой, то вполне логично предположить, что в структуру теоретической биологии должны включиться компоненты, обязательные для любой физической теории. Акчурин И.А. отмечает четыре необходимых компонента будущей теории:

Определенное математическое пространство, максимально приспособленное для теоретического объяснения всех качественных и количественных особенностей биологических явлений и, следовательно это математическое пространство должно содержать структуры, способные фиксировать все возможные связи этих явлений.

Универсальные операционные процедуры, строгие и однозначные, т.е. реализуемые в некотором эксперименте правила сопоставления элементов базового математического пространства теории с определенными элементарными событиями исследуемого фрагмента материальной деятельности.

Строго характеризуемый элементарный объект теории, из сочетаний и взаимодействий которых можно построить теоретическую модель любой интересующей нас системы (аналогично материальной точке в механике).

Универсальные законы движения всеобщие, всегда применимые и всегда справедливые уравнения - "обычаи поведения" элементарных объектов теории в ее исходном, базовом математическом пространстве.

Современной науке (физике, математике, биологии) присущи прежде всего внутренне единство и вместе с тем расчлененность. Единство отдельных элементов является основой понимания характера их связи.

В понимании соотношения биологии и наук о неживой природе в настоящее время произошли существенные изменения, которые можно охарактеризовать следующим образом [7]:

Утвердилось представление о невозможности создания некоторой однородной науки, относящееся ко всему естествознанию и к его отдельным отраслям, в частности, биологии.

Значительно развитие получил принцип ограничения возможностей сведения одной отрасли естествознания к другой и создания каждой частных методов исследования, теорий и понятий.

Изменилось представление о единстве биологии как науки. Современная биология представляет продукт взаимодействия различных методов и подходов к исследованию живого. Вместе с тем формы этого взаимодействия представляют значительное разнообразие, каждая из них обусловлена конкретной познавательной ситуацией.

Изменился характер и уровень использования методов наук о неживой природе в биологии. Признание ограниченности использования конкретных теорий физики, химии, кибернетики как основы теоретизации всей биологии, обусловливает особое внимание к использованию идей физики и присущего ей способа мышления.

Утвердилось представление о невозможности сведения биологии к физике. Это убеждение подтверждается рядом аргументов, вытекающих из нового (неклассического) понимания единства науки:

а) оказывается невозможным игнорировать качественную специфику биологических объектов; поэтому теоретическая биология должна использовать как данные об общности живого и неживого, так и данные об их отличии;

б) биология ассимилирует используемые физические методы, что ведет к взаимной адаптации методов биологии и физики. Ее результатом оказывается некоторая новая область, отличная и от "чистой" физики и от "чистой" биологии. Процесс адаптации физических методов в ходе их включения в биологию представляет органический процесс, преобразующий науку.

Анализ проблемы соотношения биологии и наук о неживой природе, в частности физики, показывает, что в борьбе мнений и направлений преодолевается односторонность ее решения, которая связана с абсолютизацией одного из способов исследования живого.

Выводы

В заключение я хочу привести мнение Л.В. Фесенковой, которая примиряет спорящие стороны: «Вопрос о специфике биологии не может быть сведен к единой точке зрения, потому что спорящие стороны исходят из разных представлений о бытии, которые каждой стороне кажутся «само самой разумеющимися»... также играет роль и определенное отношение к проблеме сущности жизни и ее ценности»[20, С.116]. Таким образом решить какая концепция верна, кто ближе к истине в принципе невозможно, потому что у всех разные представления о жизни вообще. Различие в мировоззрениях разных людей неизбежно ведет к противоречиям. А наше мировоззрение зависит не только от нашей образованности, эрудированности, а также от воспитания, от мировоззрения тех, кто нас учил, и наконец от нашего окружения вообще. Очевидно, чтобы ответить на вопрос: какая же точка зрения истинна, нужно исходить из истинности тех мировоззренческих предпосылок, которые являлись основаниями для формирования тех или иных взглядов. Таким образом, знание истины включает моменты веры (убеждения) и эмоционального отношения к обсуждаемому. «Вопрос о специфике биологии выходит за рамки теоретических средств естествознания. Его решение основано на предварительном принятии субъектом познания определенных представлений о природе мира, человека, знаниях, получаемых вненаучным путем.» [16, С.117] Значит, все точки зрения являются неопровержимыми в силу различия их мировоззренческих оснований, следовательно противоречия просто неизбежны.

ЛИТЕРАТУРА

Международная конференция «Философия естествознания XX в: итоги и перспективы».//Вопросы философии, №10, 1997

Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т.1.- М., 1977.

Энгельгардт В.А. Познание явлений жизни. М., 1985,

Волькенштейн М.В. О современной биофизике. М., 1977

Волькенштейн М.В. Физика и биология. М., 1980

Волькенштейн М.В. Перекрестки наук. М., 1980

Депенчук Н.П. Взаимодействие биологии и физики в познании жизни. - В сб.: Взаимодействие методов естественных наук в познании жизни. М., 1976

Акчурин И.А. О перспективах синтеза биологии и физики. - В сб.: Взаимодействие методов естественных наук в познании жизни. М., 1976

Щедровицкий Г.П. Проблемы построения системной теории сложного “популятивного” объекта. - В сб.: Системные исследования. М., Наука, 1973

Лисеев И.К. Особенности развития современного биологического знания. - В сб.: Природа биологического познания. М.,1991

Кедров Б.М. Предмет и взаимосвязь естественных наук. М., 1967

Акопян И.Д. Философские основания единства биологического и физического знания. Ереван, 1987

Философский энциклопедический словарь. М.,1989

В.В.Лункевич, От Гераклита до Дарвина, М.,1960

Бор Н. Избранные научные труды. Т.2. - М.,1971

Бор Н. Атомная физика и человеческое познание, М., 1961

Успехи физ. Наук. - Т.76, 1962

Л.Бриллюэн. Термодинамика-кибернетика-жизнь. - В кн.: Кибернетика. Современное состояние, М., 1980

Шредингер. Что такое жизнь? М.,1972

Фесенкова Л.В. Специфика биологии и проблемы оснований науки. - В сб.: Природа биологического познания. М.,1991