Лекция 6 СПЕЦИФИКА БИОЛОГИЧЕСКОГО ЗНАНИЯ И ОТНОШЕНИЕ К НЕЙ БИОФИЗИКИ

В последних строках предыдущей лекции была высказана мысль, которая в конце этой лекции будет повторена, но уже в форме определения биофизики. В ней содержится требование органического сплава познавательных возможностей физики и биологии. Что имеется в виду под этим требованием?

В отечественной учебной литературе по биофизике и в спе­циальных монографиях просматривается одна характерная чер­та. Биофизические данные представляются как освоение физи­ческой теорией и экспериментом биологической «территории», как экспансия физики в биологию. Радикальный физический редукционизм—экстремальное выражение подобного умона­строения. У изучающего биофизику по этой литературе биолога возникает чувство неполноценности своих профессиональных биологических знаний, особенно когда он сталкивается с мощ­ным (по нашему мнению, нередко излишне гипертрофирован­ным) математическим аппаратом описания.

Принцип качественной несводимости означает существова­ние предела, далее которого физические представления перестают быть самодостаточным средством биофизического познания. Дальше этого предела определяющим фактором становятся не которые биологические истины, без которых уже не обойтись. Поясним это простым примером. Классическая термодинамика позволяет изучать общий энергообмен организмов и подтверждает, что они при этом подчиняются первому началу термодинамики. Но биологические системы существенно неравновесны и как только встает вопрос о протекании в них необратимых процессов во времени, равновесная термодинамика перестает работать. В настоящее время разрабатывается термодинамика состояний, далеких от равновесия. Несомненно, она позволит более точно описывать поведение биологических систем, но и эта теория уже сейчас обнаруживает принципиальную неспособность объяснить некоторые характерные для жизнедеятельности свойства. Таким образом, биофизика для своего поступательного дви­жения к познанию тех или иных биологических сущностей дол­жна привлекать теоретические положения биологии, что собственно, и имеет место. Конструкты биологического происхождения и прежде всего фундаментальные общебиологические прин­ципы представляют собой методологические ориентиры для всех биологических дисциплин в том числе и биофизики, они не должны оставаться «за кадром», а должны стать объязательными элементами теоретического арсенала средств биофизического познания. Этот тезис и будет развернут в данной лекции.

У Дж. Бернала мы находим такое замечание: «Я полагаю, что есть коренное различие, в основе своей философское, между биологией и так называемыми точными науками, особенно фи­зикой. В последней мы постулируем, что существуют элементар­ные частицы, из которых построена Вселенная, и что законы, управляющие их движением и превращением, внутренне необхо­димы и, как правило, действуют во всей Вселенной».

Биология, в отличие от физики, занимается описанием и сис­тематизацией фактов, относящихся к весьма специальному компоненту Вселенной — тому, что мы называем жизнью или даже более узко—земной жизнью. Это в основном описательная на­ука, больше похожая на географию и имеющая дело со структу­рой и функцией некоторого числа своеобразно образованных систем в определенный момент времени на определенной пла­нете». В глазах представителей точных наук феноменологический писательный характер биологических знаний—это недостаток, хранению которого должны способствовать точные науки, главная причина словесной формы представления в биологии, однако, заключается не в слабом знакомстве биологов с математикой, а в сложности и многообразии проявлений жизни, в сложности накопления множества отдельных фактов для получения обобщенных истин.

Такие постижения в биологии чаще всего выражаются в словесных формулировках, истинность которых основывается на ряде обобщенных наблюдений над живыми системами. Интересно отметить, что некоторые области физики тоже, опирались на такого рода словесные формулировки. Лучшим, приме­ром тому служит второй закон термодинамики. Он был сформулирован Кельвином так: «невозможен такой термодинамичес­ки процесс, единственным результатом которого было бы преврашение тепла, полученного из термостата, целиком в работу».

В этом высказывании хорошо подмечен тот факт, что фундаментальные законы физики это тоже обобщения из всей совокупности эмпирических данных (например, законы сохранения).

Индукция—основной путь познания в биологии, тогда как физике преобладает дедукция. Когда речь идет о применении физических способов изучения живой материи, необходимо иметь в виду, что дедуктивно-физический подход не может исключить индуктивно-биологического. Биофизическое исследование должно сочетать то и другое. Покажем это на примере из истории биофизики.

Один из самых выдающихся представителей естествознания IX в. Г.Гельмгольц много внимания уделял биофизике сенсорной деятельности (о его достижениях в этой области подробно рассказывается в следующей теме, посвященной истории биофизики). Гельмгольц является создателем теории символов, которая утверждала, что наши ощущения не есть образы зеркального отражения окружающего мира, а суть символы (знаки) внешних воздействий. Блестящий физик-теоретик и виртуозный экспериментатор, Гельмгольц был убежден в возможности физического объяснения явлений жизни. Его теория или, лучше сказать, концепция символов не была отказом от материалистических взглядов, как это утверждается в философской литературе. Напротив это был самой высокой пробы диалектический' одход к решению биофизической проблемы. Гельмгольц сумел преодолеть в себе физика-теоретика и признать, что целый ряд фактов сенсорной деятельности свидетельствует против механистического представления о характере сенсорного отражения внешнего мира. Гельмгольц был одним из первых, кто понял что в основе сенсорной деятельности лежат принципиальные— сигнально-кодовые отношения, которые мы сейчас назывем информационными. Заслуга Гельмгольца состояла в том, что он не стал втискивать физиологические реалии в прокрустово ложе физических представлений.

Теория символов Гельмгольца—иллюстрация плодотворного симбиоза знаний, накопленных индуктивным путем, и дедуктивного подхода к вытекающим из них следствиям.

Добавим к этому пример, в котором проблема только что поставлена. В одной из последних работ фон Неймана «Компьютер и мозг» утверждается, что «каким бы ни был язык, исползуемый центральной нервной системой он характеризуется меньшей логической и арифметической глубиной по сравнени с той, к которой мы привыкли... Таким образом, логика и математика ЦНС, рассматриваемые как язык должны в структурном отношении отличаться от тех языков, к которым относится наш повседневный опыт...; какова бы ни была система (этого языка— И. Р.), она не может не отличаться существенным образом от того что мы сознательно рассматриваем как собственную математику.

Уже говорилось, что радикальный физический редукционизм как концепция наталкивается на трудности принципиального свойства при попытках интерпретации явлений жизни в понятиях физики и химии. Но редукционизм как концепция и редукция способ установления истины совсем не одно и то же.

Проблема редукции обстоятельно разобрана в упоминавшейся книжке В. Г. Борзенкова [12], и далее мы будем пользоваться некоторыми положениями из этого источника.

К прецедентам таких дополнении следует отнести введение в естественнонаучную терминологию понятия информации и установление принципа обратной связи. Осознание того факта что наряду с обменом веществ и энергией в биологических системах происходит обмен информацией, имеет фундаментальное значение для понимания процессов жизнедеятельности.

Мы называем понятие информации, а не количественную теорию информации, хотя, казалось бы, именно эта теория делает данное понятие конструктивным. Численное выражение информации как логарифмической функции вероятности состояния системы привело к установлению связи между информацией как мерой упорядоченности и энтропией как мерой разупорядоченности системы. Физики, таким образом, стали рассматривать информацию как отрицательную энтропию. Очевидно торжество редукции: живые системы, по Э. Шредингеру, это системы, питающиеся отрицательной энтропией.

На самом деле вероятностная трактовка количества информации столь же мало выражает ее биологическое содержание как и масса живого тела— его внутреннюю организацию. И это не гипербола!

Один бит информации (единица, соответствующая вероятности состояния, системы 0,5) при Т = 300°С К эквивалентен энергии 2•10^-21 Дж. Из расчета видно, что количество информации содержащейся в организме, человека в виде, упорядоченного строения биополимеров, в энергетическом выражении составляет величину порядка 10⁵ кал, что соответствует затратам энергии на доведение литра воды от 0 до 100° С. Тот же бит информации, содержащийся в ответе на вопрос, есть ли жизнь на Марсе, уже обошелся науке в колоссальные затраты, если иметь в виду посылку космических аппаратов на Марс.

Реальная цена биологической информации не определяется ее вероятностным аспектом. Качественные подходы к информации еще только нащупываются. Но уже сейчас ясно, что имен но в них вся суть биологической информодинамики. Количесвенная теория информации тем не менее сыграла свою роль в биологии хотя бы тем, что позволила дать «валовую» оценку многих параметров информативной деятельности живых систем. Другим важным дополнением к Т(Ф) явился принцип обрат­ной связи. Патент на этот принцип принадлежит живой природе. Использование этого принципа открыло широкие возможности для моделирования биологических функций. Но все же следует признать, что техника выиграла от использования этого принципа больше, чем биология.

Теперь зададимся вопросом, в какой мере информационные кибернетические представления могут рассматриваться как примеры редукции, и редукции чего к чему?

Обмен информацией, способность к саморегуляции и адапта­ции— принципиальные свойства живого (технические устройст­ва, реализующие эти свойства,— продукты деятельности челове­ка и, очевидно, являются лишь продолжением его свойств и спо­собностей), которые не могут быть выведены из законов и прин­ципов физики. Вместе с тем они представляют собой некоторые наиболее общие свойства функционально-структурной организа­ции биологических систем и являются продуктом анализа и син­теза большого объема биологических данных. Поэтому здесь речь может идти лишь о биологической редукции, но не в смысле теоретического выведения, свойств более, высокого уровня из представлений о более низком уровне, а. в смысле нахождения некоторых «элементарных» сущностей, которые могли бы быть положены в основу теоретических интерпретаций широкого класса проявлений жизнедеятельности.

Что же касается отношений Т(Ф) с этими сущностями, то по­следние представляют собой нечто не вытекающее из Т(Ф), и по отношению к ним нельзя утверждать, что Т(Ф)—это Т(Б). Бо­лее того, если принять во внимание, что теория информации и кибернетика явились факторами технического прогресса, то справедливо говорить о некоторой совокупности теоретических представлений, которые осуществляют синтез конструктов био­логического происхождения с конструктами точных наук.

Другой, возможно еще более выразительный пример биоло­гической редукции дает нам генетика. Генетика с самого начала носила символический характер, свойственный математическим методам физики. Уже в первоначальной публикации Г. Менделя вводится ряд символов, которые точно определены через соот­ветствующие фенотипы. Мендель указывает затем правила об­ращения с этими символами, соответствующие различным типам экспериментальных скрещиваний. Позднейшим исследователям удалось сформулировать менделевскую генетику в виде нескольких простых постулатов и правил операций над символами. Результаты этих операций позволили затем предсказывать статистическое распределение потомства в экспериментах с контроляруемыми скрещиваниями. Такой подход устанавливает корреляцию между различными уровнями (генотип— фенотип) биологической организации.

Принцип историзма — один из центральных в биологическое методологии. Жизнь во всех ее проявлениях — продукт эволюции. В то же время, физика имеет дело с материальными объектами и законами их движения и превращения, которые во все обозримые времена и во всей обозримой Вселенной остаются неизменными.

Как уже говорилось, современная физика располагает, по видимому, всеми необходимыми теоретическими аргументами, чтобы объяснить возникновение жизни из физико-химической субстанции и последовательные этапы ее развития, если бы бы­ли известны обстоятельства, предопределившие биологическую эволюцию и самое ее начало. Но ретроспективные усилия ес­тествознания в этом отношении еще далеки от решающего успеха.

В то время как биология стремится воссоздать «естественную историю» земных организмов (что можно было бы назвать историческим редукционизмом современных форм жизни), биофизика пытается найти синхроническое объяснение биологическим фактам.

Исторический (или диахронический) и синхронический под­ходы кажутся далекими друг от друга, различными способами познания и даже различными образами мышления.

Но для решения проблем биофизики биологический принцип историзма следует рассматривать как еще одну грань дополнительности, необходимость которой проистекает из центрального принципа, определяющего соотношение физики и биологии, принципа качественной несводимости. Использование принципа историзма может привести к эвристическим, решениям, которые невозможно найти в физико-химической «плоскости».

Свойства организмов, которые мы сейчас наблюдаем, отбира­лись и шлифовались в течение длительного эволюционного процесса. При этом даже решающие факторы отбора на многих эта пах эволюции неизвестны. Не исключено, что следы многих факторов полностью стерты естественной историей условий жизни на Земле, но следы действия этих факторов запечатлелись в естественной истории организмов. Известно, например, что в онтогенезе — индивидуальном развитии — организм повторяет стадии эволюции вида.

Поэтому биофизическая интерпретация должна состоять не только в объяснении, как осуществляется то или иное биологи­ческое явление в своей физической форме, но и каким путем, под воздействием каких факторов эволюции оно сформировалось. А это значит, что для отыскания адекватной биофизической мо­дели важное значение имеет сравнительное изучение данного явления у организмов, стоящих на разных ступенях эволюционного развития.

Поясним эту мысль одним примером.

В энергопроизводящих органеллах растительных клеток— хлоропластах—синтез АТФ опосредуется генерацией градиента электрохимического потенциала ионов водорода. Протонодвижущей силой является запасаемая пигментными системами свето­вая энергия. Основным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл. Молекулярные механизмы утилизации световой энергии пигментными системами тщательно изучаются. Сравни­тельно недавно было установлено, что существуют простейшие организмы-галобактерии, осуществляющие фотосинтез не с по­мощью хлорофилла, а бактериородопсином, близким родствен­ником зрительного пурпура—родопсина. Этот факт интересен в плане биоэнергетики. Может быть, энергетическая функция пиг­ментов фотосинтетического аппарата растений и информативно-сигнальная функция зрительных пигментов соотносятся как ча­стные решения одной общей задачи—утилизации световой энер­гии организмами. Если это так, то возможно существование ка­ких-то общих принципов взаимодействия света с живой матери­ей, реализация которых в процессе эволюции пошла у растений и животных разными путями. Каковы эти принципы? Какие фак­торы эволюции обусловили подобную дивергенцию? Эти вопро­сы интересны в плане биофизики восприятия света организмами.

Цель любой науки о природе — объективная истина. Но сред­ства, пути и способы достижения истины у разных наук могут быть различными. Когда пути наук пересекаются, возникающие при этом новые научные направления обогащаются средствами познания той и другой науки.

Мы уже говорили о биологическом историзме и о физическом синхронизме, о необходимости использования в биофизике общебиологического принципа историзма.

Проиллюстрируем последний тезис на одном биоэлектричес­ком феномене—светоиндуцируемой электрореакции хлорофилл-содержащих тканей растения. Явление было открыто в конце прошлого века, установлена его обусловленность наличием хло­рофилла в растительной ткани. Уже одно это обстоятельство должно было привлечь к нему внимание специалистов по фото­синтезу. Однако этого не произошло, поскольку данную реакцию отнесли к неспецифическому проявлению раздражимости растений. В течение нескольких десятилетий электрофизиологи и биофизики растений не замечали функциональных признаков явления и его специфической связи с фотосинтетической дея­тельностью. Сейчас функциональный характер электрического феномена получил ряд экспериментальных подтверждений.

Когда вопрос о функциональной природе явления решен, принцип целесообразности предписывает необходимость ответа на вопрос «для чего?» прежде, чем на вопрос «как?».

Существует множество проявлений жизнедеятельности, кото­рые достаточно просто объяснить в плане того, как они проис­ходят, допускается даже несколько таких объяснений. В совре­менной биофизике широко используется математическое моде­лирование. Предпочтение, как правило, отдается наиболее прос­той с физико-математической точки зрения модели. Но нечто простое в этом отношении нередко оказывается очень сложным с позиций принципа целесообразности.

Объяснить, почему яблоко падает на землю, с физической точки зрения просто. Но яблоко — это не просто физическое те­ло, а плод яблони, и оно не всегда падает на землю, а лишь когда созреет. Чтобы ответить на вопрос, для чего оно падает, необходимо знать биологию яблони.

Танец пчел перед ульем можно описать броуновским движением, но из этой модели вряд ли кто сможет вывести, что это движение — язык пчел и тем более, что он выражает.

Биология полна такими фактами, когда прочерченная физико-математическим моделированием «прямая» хотя и объясняет физическую сторону явления, но часто упрощает его механизм до тривиальности и нередко уводит исследование в ошибочном направлении. Принцип целесообразности является эффективным методологическим ориентиром для нахождения правильно го пути к познанию сущности явления. «Поверить алгебрй! гармонию» еще не значит понять эту гармонию.

Один из создателей направления математического моделирования в биофизике Н. Рашевский пришел к убеждению, что ортодоксальный подход к построению модели, в котором предполагается необходимость простейшего из возможных построений, способных объяснить ту или иную биологическую функцию, неявляется достаточным. Это заключение он сформулировал в ви­де «принципа адекватной конструкции организмов». Вот выра­жение этого принципа: «Если задан некоторый набор функций организма или отдельного органа, то для того, чтобы найти форму и структуру этого органа, биоматематик должен идти точно таким же путем, каким идет инженер, конструируя уст­ройство или машину для выполнения заданной функции при за­данных изменяющихся условиях среды».

Понимая, что этот принцип носит финалистский характер, Рашевский подчеркивает: «Одно возражение, которое можнобыло бы выдвинуть против принципа адекватной конструкции, состоит в том, что он носит «телеологический» характер и поэтому не импонирует механистически мыслящему ученому. Но наэто мы можем ответить, что все вариационные принципы, в физике телеологичны, начиная с принципа наименьшего действия...

Между прочим, то, что сейчас называют «бионикой», вкон­це концов может стать просто применением принципа адекват­ной конструкции».

Замечательно, что это признает представитель точных наук на основании обобщения большого опыта по моделированию биологических форм и процессов. По существу, принцип адек­ватной конструкции — это принцип целесообразности, высказан­ный не на основании опыта биологических исследований, а ис­ходя из опыта физико-математического моделирования.

Итак, заключим: принцип целесообразности—это принцип, утверждающий необходимость ответа на вопрос, для чего име­ет место то или иное проявление жизнедеятельности, наряду с необходимостью ответа на, вопрос, как оно происходит. При этом ответ на вопрос «для чего?» в большинстве случаев слу­жит предпосылкой для нахождения адекватного ответа на воп­рос «как?».

В определениях, приведенных нами в первой лекции, авторы констатируют положение этой науки на текущий момент. Все определения сходятся на том, что биофизика занимается физи­ческими проявлениями жизни. Учебники, из которых взяты эти определения, представляют собой своеобразный перечень дости­жений в области изучения физических явлений жизни.

Дата добавления: 2014-10-10; просмотров: 487; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!