Зададимся рискованным вопросом. Если по отношению к живым системам, вплоть до гена, можно пользоваться телеологическими понятиями, то как быть с протосистемами, которые были предшественницами гена? Попытаемся поискать ответ на этот вопрос с позиций современных знаний. Обратимся к наиболее интересным научным концепциям происхождения жизни.
В книге “Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул” (1971) М. Эйген сформулировал концепцию и построил модель предбиотической молекулярной эволюции. Он предложил распространить идею Ч. Дарвина о естественном отборе на “популяции” макромолекул. М. Эйген доказал, что “в случае целого класса объектов, несущих информацию”, необходимо оперировать понятием “самовоспроизводящаяся единица”, т.е. “репликатор”.
Гипотеза М. Эйгена была очень красивой. Он предположил, что отбор на молекулярном уровне имеет место в системах, обладающих следующими свойствами:
- неравновесность;
- метаболичность, т.е. образование и разложение молекул должно происходить по независимым каналам, а отбор осуществляется среди промежуточных продуктов реакций;
- самовоспроизводимость;
- мутабельность – способность к отклонениям от начального образца, которая связана с ошибками в процессе репликации.
Пусть имеется протосистема, т.е. совокупность различных молекул и их мутантов. Допускаем, что каждый из её членов – в отдельности – обладает свойством выживаемости. “Если, вместо того, чтобы конкурировать, члены такой системы смогут кооперироваться друг с другом, информационное содержание данной системы значительно расширится”. А создать основу столь необходимой кооперации способна взаимная каталитическая активность молекул. Она же обеспечивает нелинейность. М. Эйген назвал такую протосистему воспроизводящихся единиц гиперциклом.
“Образование и отшлифовка эйгеновских гиперциклов, – пишет В.И. Корогодин, – привели к созданию аппарата трансляции” информации.
Транслируемость – это свойство, позволяющее информации передаваться с носителя на носитель, благодаря чему деградация носителей не приводит к уничтожению самой информации. В случае гиперциклов иногда говорят о трансляции информации, которая определяет то, что макромолекулы вполне определённого строения оказались наилучшим образом приспособленными к максимальной репликации в среде.
Дело в том, что в качестве альтернативы (строго математическому) понятию информации у К. Шеннона, которое относится к замкнутым системам и исключает такой аспект, как осмысленность или полезность информации, Г. Хакен даёт (1988) “синергетическое” истолкование информации. Он рассматривает динамическую систему, имеющую минимум два аттрактора (характеризуемые относительной значимостью, e.g. 0 или 1) и способную к переходам между ними. На неё действует информационный сигнал (тоже характеризуемый относительной значимостью) и шум. Критерием наличия смысла или пользы сигнала служит его способность переключить динамическую систему из одного аттрактора в другой. Введённое понятие относительной значимости сигнала (вместо количества информации, оцениваемой в концепции К. Шеннона на основе относительной частоты символов) и полученные Г. Хакеном соотношения позволяют “решать, что делает интересующая нас динамическая система с информацией: уничтожает, сохраняет или порождает её”. Эти идеи во многих аспектах обсуждаются Д.С. Чернавским, Е.А. Мамчур и И.В. Мелик.
На наш взгляд, гиперцикл можно рассматривать как с детерминистских позиций (“Почему образуются скооперированные популяции макромолекул?”), так и с телеологических (“Для чего популяции макромолекул кооперируются?”) позиций. Мы вернёмся к этому ниже, а сейчас обратимся к мнению директора Института геохимии и аналитической химии РАН Э. Галимова.
Он считает, что модель М. Эйгена применима лишь к отдельным эпизодам эволюции и предлагает свой сценарий: “Центральным положением в моём понимании жизни является концепция упорядочения, возникающая наряду с разупорядочением. <…> Мерой разупорядочения является энтропия. Энтропия любого самопроизвольно протекающего процесса возрастает, то есть в любом месте пространства, которое оставлено без ухода, нарастает беспорядок.
Но может ли также самопроизвольно возрастать порядок? Может, если он тесно сцеплен, сопряжён с нарастанием беспорядка. Это подобно двум зубчатым колёсикам часового механизма. Однако отдельные эпизоды упорядочивания не объясняют эволюцию. Для того чтобы возникло эволюционное упорядочение, необходимо такое его производство, при котором продукт одной ступени упорядочения, мог бы стать исходным для другой. В химических процессах подобное сопряжение возникает в паре химических реакций, где продукт одной реакции участвует в качестве реагента в другой”. Э. Галимов полагает, что наиболее вероятными кандидатами на такую пару реакций являются АТФ + H2O = AДФ + H3PO4 (4*)
M + M = H2O + ММ, (5*)
где М – мономеры, а ММ – условное обозначение образующихся из мономеров полимерных цепочек. В первой реакции энтропия растёт, а во второй уменьшается, происходит упорядочение. Реакция гидролиза аденозинтрифосфорной (АТФ) кислоты (4*) идёт с большим выделением энергии, которая с лихвой перекрывает энергетический выход множества других реакций. Образующийся адезинтрифосфат (АДФ) вновь восстанавливается до АТФ, поглощая квант света. Кроме того, АТФ является строительным блоком РНК и ДНК, ставших основой репликации генов. АТФ сложное соединение, но оно легко синтезируется. С другой стороны, все биологически важные полимеры (ММ) образуются из своих мономерных звеньев (М). Реакция (4*) отбирает воду, которую выделяют образующиеся в реакции (5*) мономеры. Таким образом, описанную пару реакций можно назвать “маленькой молекулярной машинкой, непрерывно рождающей упорядоченное”.
Далее Э. Галимов отмечает, что “в живой природе есть закон, который объясняет это постоянное упорядочение. Там постоянно работает наша машинка – механизм по упорядочиванию. Суть упорядочения состоит в ограничении свободы. Беспорядок, хаос – полная свобода. А порядок – ограничение свободы. Как только вы захотите пойти по пути порядка, вы начинаете ставить ограничения, уменьшать число степеней свободы”.
Но не о том же – только другими словами – говорят и Г. Кастлер, и В.И. Корогодин?! Сравним полученные при помощи различных подходов выводы (см. табл. 1.1). Присмотритесь, пожалуйста, не создаётся ли у вас впечатления, что речь идёт об одном и том же?
В чём причина сходства? Относительно того, есть ли у протосистемы цели, Э. Галимов говорит следующее:
“Может происходить упорядочивание, но без цели. Процесс упорядочения заключен в очень узком диапазоне возможностей. Он идёт так, как если бы была цель. Цели нет. Но путь предопределён. Условно говоря, он предопределён таблицей Менделеева, теми соединениями, которые нас окружают. И было достаточно появления АТФ, чтобы она привела к нам с вами. Она и есть дизайнер. И этот дизайнер укладывается во все химические и физические законы”.
Эта цитата и весь проведённый анализ, на наш взгляд, красноречиво свидетельствуют, что мы столкнулись с неординарной ситуацией! Специфика объекта внимания – биологической протосистемы – такова, что рассматривать протосистему можно (и нужно!) как с детерминистских, так и с телеологических позиций.
Почему образуются протосистемы? Потому что в рамках сущестующих законов физики и химии некоторые макромолекулы способны к упорядочению и самовоспроизводству. Это – детерминизм, акцент делается на том, что внешние по отношению к репликатору физикохимические условия детерминируют сборку и репликацию макромолекул. Но этого для полноты картины недостаточно. Самовоспроизводство само по себе может и прекратится, если изменятся внешние условия, в которых родился репликатор.
Поэтому для углубления представлений о протосистеме необходимо отвечать на оба вопроса: “Почему?” и “Для чего?”. Недаром Э. Галимову, чьи слова, казалось бы, призваны подчеркнуть независимость его объяснения от телеологии, тем не менее, все таки понадобились понятия, типичные для телеологического текста: “цель” (“как если бы она была”132), “дизайнер” процесса. Вспомним также, что Н. Винер видел методологическую пользу в признании за поведением живых систем их целенаправленности. А то, что в объединении способов познания через связку вопросов “Почему?” + “Для чего?” нет зловредного идеализма, что оно полезно для познания, свидетельствует не только это.
В биологических протосистемах носитель информации субстратно и функционально неотделим от считывающих и реализующих устройств. В.И. Корогодин предложил называть их информационными системами первого рода. Последующая эволюция привела к тому, что произошло субстратное и функциональное разделение на элементы памяти, считывания и записи информации, появились специализированные операторы – сформировались ИС второго рода. Таков, например, автомат фон Неймана (рис. 4). В ИС второго рода всегда можно выделить блоки и/или уровни, ответственные за использование физикохимических эффектов и ресурсов, а также блоки/уровни, которые определяют алгоритм и порядок использования этих эффектов и ресурсов, т.е. выделить собственно силовую и информационные части.
Это вполне согласуется с выводами, полученными в рамках современной концепции причинности Б.Б. Кадомцевым:
“В более сложных системах <…> возможно расслоение единой системы на две тесно связанные друг с другом подсистемы. Одну из них мы попрежнему можем называть динамической или силовой, а вторую можно назвать информационной или управляющей подсистемой”.
Силовая подсистема детерминирована законами физики и химии. Эта подсистема сама по себе может, как справедливо пишет Э. Галимов, создавать упорядочение:
“В неживой природе тоже может быть упорядочивание. Но его проявление носит случайный характер, оно также случайно исчезает”.
А информационная подсистема “следит” за тем, чтобы ценные для воспроизводства упорядочивания сценарии запоминались. В этом, если говорить коротко, и состоит главная цель живого: в осмысливании происходящего с системой для сохранения её главной функции – репликации. Именно так в ТТИ и определяется переход от случайных эпизодов к целенаправленным действиям/актам.
Но правомерно ли в этом сюжете говорить об “осмысливании происходящего с системой”? Нам представляется, что нет ничего методологически криминального в таком обороте. Аргументом можно выбрать идею “разумной системы” (в кавычках), выдвинутую С.Д. Хайтуном: “Разумная система” может не обладать сознанием. Тем не менее, поступающие в неё извне сигналывоздействия вызывают сигналыотклики, которые затем обрабатываются, подобно тому как это делает мозг. И генерируется реакция, которая обеспечивает “разумной системе” оптимальное функционирование в данных условиях среды [16, с. 278].
Нет ничего криминального и в том, чтобы использовать связку вопросов “Почему?” + “Для чего?”. Тем самым увеличивается полнота нашего понимания живых систем. Близкое к нашему суждение завершает очерк “Эволюция учения о причинности” Ю.В. Сачкова: “Основные преобразования в учении о причинности связаны с отходом от рассмотрения исследуемых объектов и систем как пассивных, инертных, податливых образований к признанию наличия у них всё возрастающей внутренней активности и динамики <…> На первый план стал выступать информационный аспект, который прямо соотносится с раскрытием внутренней динамики сложных систем. Соответственно, причинность имеет не только внешние, но и внутренние основания в анализе поведения и функционирования объектов и систем. Развитие теории сложноорганизованных систем ведёт к тому, что представления о причинности всё сильнее сопрягаются с проблемами телеономии”.
Напомним, что в новой телеологии живых протосистем, по В.И. Корогодину, нет никаких мистических допущений. Физико химические условия детерминировали самосборку первых макромолекул. Но как только проявило себя свойство репликации (стала генерироваться информация), появилась возможность применять к описанию процесса сборки макромолекул не только вопрос “Почему?”, но и вопрос “Для чего?”. В ТТИ на него даётся вполне определенный ответ: для продолжения размножения и распространения этого процесса на условия, в которых спонтанное возникновение и размножение репликаторов невозможно. В этом, по сути, и состоит телеологичность концепции В.И. Корогодина. Рассмотрим этот пункт подробно.
Практически все биологи согласны с тем, что первично возникший вариант носителей генетической информации представлял собой молекулу полимера, состоящую из последовательности апериодически чередующихся оснований не менее двух типов. В силу химического строения такие молекулы обладали двумя не зависящими друг от друга свойствами: аутокатализа – индукции какимлибо веществом синтеза самого себя и гетерокатализа – индукции синтеза совершенно нового соединения. Условия спонтанного возникновения таких полимеров, условия их роста и дробления на фрагменты неоднократно описаны в научной литературе по эволюционной химии – так называют направление исследований, стремящихся объяснить происхождение живого из не живого. Ещё в 1890 г. В.Ф. Оствальд ввёл понятие автокатализа и автокаталитической химической реакции, в которой какието продукты реакции одновременно оказываются её катализаторами, ускоряя её ход. Позднее эволюционная химия фокусирует внимание на таких автокатализаторах, которые со временем модифицируются, совершенствуются, способствуя образованию всё более сложных продуктов. Химические реакции, протекающие при действии самосовершенствующихся автокатализаторов, составляют основу самоорганизации (био)химических систем. В 1959 г. химик из МГУ А.П. Руденко обнаружил, что в указанных реакциях происходит естественный отбор тех центров катализа, которые обладают максимальной активностью. На нихто в дальнейшем и сосредоточивается базисная автокаталитическая реакция. Очередным принципиально важным шагом стала теория самоорганизации биологических макромолекул М. Эйгена (1971). М. Эйген раскрыл более высокий уровень в иерархии авто каталитических систем. Его идеи мы рассматривали ранее. В очень коротком пересказе один из его фундаментальных выводов звучит так: “Эволюционное преимущество имели только те виды молекул, которые могли самовоспроизводиться при помощи матричного механизма и таким образом находить путь к сохранению и передаче информации о своей собственной структуре”.