Специфика биологических структур

1. Понятие структуры и возрастание его роли в науке

За последние годы при обсуждении самых актуальных проблем современной биологии, как и во всем естествозвании, значительно усилился интерес к понятию структуры. Этот интерес объясняется некоторыми объективными причинами, коренящимися в особенностях современного этапа развития научных исследований.

Чтобы выяснить эти причины, надо прежде всего четко представить себе, в чем суть самого понятия структуры. Оно вошло в науку давно; естественно, его содержание и его значение изменялись, а кроме того, в каждой отрасли науки оно имеет свою специфику. Повсюду понятие структуры оказывается очень близким понятию организации. В одном отношении последнее несколько шире, чем первое: понятие структуры отображает во всех проявлениях организованности материи только наиболее устойчивое, сохраняющееся, инвариантное (Н. Ф. Овчинников).

Понятие структуры той или иной системы охватывает не только ее строение, но и ее изменения, взаимодействия, все ее поведение и развитие в целом. Как уже отмечалось в литературе^[1], структура есть относительная выделенность, дискретность частей (в отличие от «бесструктурных» образований) и фаз или стадий изменения и развития, а вместе с тем определенная упорядоченность, определенный строй всей совокупности отношений, связей и взаимодействий между этими частями, фазами или стадиями, объединяющимися в единое целое. Чем выше уровень, порядок организованности материальной системы, тем яснее и многообразнее выражена ее структура. Это создает основу для повышения активности во всем ее поведении, так как возрастает ее негэнтропия и увеличивается количество информации, которая может быть эффективно использована для организованных воздействий на среду.

Понятие структуры тесно связано с несколькими другими важными понятиями. Так, наиболее устойчивое и существенное в общей упорядоченности внутренних отношений, связей и взаимодействий данной системы (а также в упорядоченности внешних ее отношений и взаимодействий — в той мере, в какой характер последних зависит от самой системы) выражается присущими ей законами; это — тоже, как говорят, «инварианты в преобразованиях». Следовательно, подчеркивая эту сторону понятия структуры, мы можем сказать: структура может быть отображена совокупностью законов, присущих данной системе и определяющих форму и поведение ее как целого. В принципе эти законы могут быть выражены математически; в таком смысле структура в принципе может быть «описана» группой уравнений того или иного типа, выражающих все существенное в строении и поведении данной системы, данного объекта. А законы (не порознь, а в своей совокупности), как известно, отображают не что иное, как сущность вещи.

Понятие структуры связано также с понятием информации. Как структура, так и информация выражают определенную упорядоченность и в этом смысле сходны. Но между ними есть важные различия. Главное из них состоит в том, что информация существует только в процессах передачи «сообщений», обычно в виде образа и (или) прообраза структуры, а последняя может существовать и без всякой передачи ее отображения или программы. Иными словами, структура — это как бы «информация в себе» или в потенциальном состоянии, «связанная» или «накопленная информация»^[2], тогда как информация — это структура в процессах ее отображения или программирования (по отношению к приемнику) и передачи по каналам связи.

Таким образом, структура изучаемого объекта — это вообще главное из всего того, что надо знать о нем, выраженное в развернутой форме. Мы подчеркиваем это слово потому, что для познания структуры необходимо исследовать все значимые и вычлененные детали строения и функционирования, изменения и развития данного объекта.

Отсюда следует, что роль и значение понятия структуры в науке неминуемо должны возрастать по мере того, как углубляется познание природы изучаемых объектов. Это и наблюдается в биологии.

Отметим некоторые изменения характера биологических исследований. В современный период классические методы исследования — описательный и сравнительный или исторический — не перестали быть необходимыми. Но их относительное значение изменилось, потому что они во все большей мере дополняются и несколько оттесняются чрезвычайно быстрым и плодотворным развитием экспериментального метода в его взаимодействии с новыми методами физики, химии, математики и кибернетики. Усиливаются контакты биологии с техникой. В последние полтора — два десятилетия познание жизненных процессов, протекающих в клетке, проникло на молекулярный и смежные уровни биологический организации. На этих уровнях открыт целый мир мельчайших биологических структур. Молекулы и атомы сами оказались гораздо более сложными динамичными системами, чем можно было даже предполагать в прошлом веке. С другой стороны, достигнуты не менее поразительные успехи в познании всей сложности клеточных и надклеточных механизмов общей регуляции жизненных процессов в организмах и в надорганизменных системах — популяциях, семейно-стадных группах, биоценозах и т. д. Со всем этим связано рождение целой плеяды новых наук «на стыке?» биологии с другими отраслями естествознания и с математикой.

При всех отмеченных изменениях биологических исследований на передний план неминуемо выдвигается именно структурно-системный подход. Это влечет за собою, в частности, возрастание значения аналогий, изоморфизмов пространственных структур и функций^[3], а проблемы, рассматриваемые в аспекте субстрата, материалов, зависимости свойств организма как целого от свойств вещества, нередко (особенно «при функциональном» подходе) считают теперь второстепенными.

С этим нельзя согласиться. В действительности старая проблема отношения вещества (субстанции или субстрата) и структуры или структурно-функциональной организации отнюдь не утратила своего значения. Напротив, актуальность этой проблемы повышается, и она приобрела теперь новое содержание в связи с проблемами космической биологии и кибернетики.

Дело не только в том, что все вообще формы движения имеют своих материальных носителей, и не только в том, что само вещество, как оказалось, имеет более сложные структуры, так что роль понятия структуры возросла также в области изучения вещества. Еще важнее в данном аспекте тот факт, что в живых системах развиваются особенно тесные и многосторонние взаимосвязи «между уровнями», причем эти взаимосвязи проникают вплоть до единичных молекул и даже электронов («субмолекулярная» биология). Разумеется, это объясняется самим наличием высокой организации.

К этому вопросу мы вернемся ниже, а пока отметим еще одну причину такого явления. Она состоит в том, что жизнь возникла в природе непосредственно на основе видоизменений определенных веществ (или, в более общем смысле, веществ определенных классов) в процессах самоорганизации этих веществ. Эта непосредственно-вещественная основа не исчезла и в дальнейшем, в ходе прогрессивного развития органической жизни. Наоборот, взаимосвязь между структурой целого и свойствами

определенных веществ (или веществ определенных классов) стала, как увидим, еще более разносторонней и глубокой. Огромное значение этой взаимосвязи сейчас все яснее вырисовывается в молекулярной (и «субмолекулярной») биологии.

2. Некоторые методологические вопросы

Из содержания понятия структуры ясно, что определить достаточно полно и точно общую специфику биологических структур —это значит показать, в чем состоит главное отличие живого от неживого, т. е. дать определение качественной специфики или сущности жизни. Мы не ставим перед собой такой задачи во всем ее объеме, а наметим лишь некоторые пути исследования, главным образом в их методологических аспектах.

а) Жизнь и организация

Первая методологическая проблема, связанная с выяснением общей качественной специфики биологических структур, относится к представлениям о связи жизни со свойством «организованности». Связь эта издавна считалась характерным отличительным признаком живых тел. Так, автор первой «Общей биологии» Исидор Жоффруа Сент-Илер (сын известного эволюциониста) писал в 1857 г., что жизнь — это организация в действии. Еще раньше такое понимание нашло свое отображение в терминах «неорганические» и «органические» тела и царства или «органическая жизнь». Но в такой общей форме указания на свойство организованности недостаточны, чтобы служить определением отличия живого и неживого.

Теперь становится все очевиднее, что абсолютно неупорядоченной, абсолютно неорганизованной материи также не существует, как и материи, абсолютно не изменяющейся на протяжении своего существования. В рассматриваемом отношении суть дела, очевидно, заключается не в простом наличии у всего живого организованности, а в особом типе и в более высоких уровнях или порядках организованности по сравнению с неживыми телами (молекулами, атомами или конгломератами близких живым телам размеров). Определенные уровни и типы организации, а в ней — определенные структуры, пространственные и функциональные, — вот это, действительно, один из важнейших, неотъемлемых признаков всего живого и процессов жизни.

б) Существует ли «самый характерный признак» живого?

Многие хорошо известные признаки не раз объявлялись в работах различных авторов самыми существенными, самыми основными свойствами живого. Но когда знакомишься с многовековой историей поисков «определения жизни» и с современным состоянием проблемы, то неизбежно возникает вопрос: почему число таких признаков, в конечном счете, всегда оказывается больше единицы? Почему вообще при определении качественной специфики того или иного класса объектов всегда приходится говорить о некоторой совокупности, группе свойств?

Чтобы ответить на этот вопрос и вместе с тем найти в данном аспекте правильный подход к задаче определения общей качественной специфики биологических структур, надо вспомнить прежде всего тот факт, давно выясненный философией, что качественная специфика любой вещи обязательно включает не одно свойство, а именно некоторую совокупность свойств. Понятие качественной специфики справедливо считается «однопорядковым» с понятием сущности; но и сущность — это также не единичная связь или не отдельно взятое отношение, а непременно какая-то совокупность глубинных связей и отношений объекта. Но во всякой целостной совокупности свойств или вообще взаимосвязанных элементов имеются (и надо уметь выделить) такие, которые играют ведущую, главную роль или, во всяком случае, более существенную, чем остальные.

Таким образом, определения качественной специфики живого не должны превращаться ни в поиски одного свойства, ни в бесконечный перечень свойств, признаков. Поиски сравнительно узкой группы «самых существенных» свойств не только не лишены смысла, но и совершенно необходимы.

Существует ли какой-нибудь критерий, тоже объективный, который позволял бы надежно производить разделение отличий живого от неживого на существенные и несущественные? К сожалению, абсолютно надежных «методологических предписаний» такого рода, одинаково пригодных для всех случаев, нет. Однако ясно, что нельзя довольствоваться определением того, что «необходимо» для наличия данного явления, т. е. определением существенных свойств, по принципу «без чего нельзя». Такой критерий недостаточен. Лишь концепция, известная под названием кондиционализма (еще очень живучая среди естествоиспытателей и даже среди философов капиталистических стран), останавливается на признании равной существенности всего, без чего данное явление невозможно.

в) Отображение специфики системы в компонентах

Один из объективных критериев, который целесообразно применять для выделения наиболее существенных свойств из данного множества необходимых свойств, состоит, на наш взгляд, в следующем. Если изучаемый объект представляет собою органически-целостную систему, включающую компоненты ряда нисходящих порядков организованности, то вероятность нахождения самых существенных свойств этой системы как целого обычно резко уменьшается с переходом от высших порядков к низшим.

Как правило, наиболее существенные свойства такой системы либо принадлежат этой системе в целом, либо наиболее четко проявляются в одной из ее главных подсистем (например, в органах и группах органов многоклеточных или в органеллах, если речь идет об одноклеточных). В меньшей мере самые существенные свойства могут быть выражены в образованиях и процессах ближайшего из менее высоких уровней организации, т. е. в главных компонентах данной системы (для многоклеточного организма это клетки, для клеток — группы молекул и т. д.). Это объясняется тем общепризнанным теперь фактом, что качественная специфика всякого органичного целого несводима ни к каким группам свойств образований или процессов типа компонентов данного целого, не связанных органичными зависимостями с этим целым. Следовательно, качественная специфика развитого многоклеточного организма несводима ни к каким группам свойств клеток, существующих вне генетической или физиологической связи с организмом, а качественная специфика клетки несводима ни к каким группам свойств молекул (не говоря уже об атомах и «элементарных» частицах), существующих вне аналогичных связей с клеткой.

Смысл сделанного здесь добавления об условии отсутствия органической связи с компонентами состоит в следующем. Надо учитывать все значение того факта, что чем выше уровень организованности как системы, так и ее компонентов, тем полнее отношения и связи, структура, законы, специфика данной системы могут быть отображены (особенно при использовании кодирования) даже в единичных компонентах. Не всякие компоненты наиболее пригодны или способны к этому. Высшего развития такое «проникновение» качественной специфики целого в единичные компоненты достигается в обществе.

Действительно, благодаря чрезвычайно высокому уровню развития способности отображения (мозг) и, конечно, на основе достаточно высокого уровня развития самого общества создается такое положение, когда индивидуальное сознание и мышление могут отобразить главное во всей совокупности общественных отношений и связей, а значит, и главное в качественной специфике общества вообще и данной его структуры в частности.

Сущность человека есть совокупность общественных отношений, говорил К. Маркс. Более того, на основе развития техники и форм кодирования отображений становится возможным проникновение социальных отношений и информационных процессов даже в «неодушевленные» предметы (например, сырье), вовлекаемые в процессы жизни общества и преобразуемые в его компоненты (например, товары). Однако в биологических системах не бывает никаких единичных компонентов, полностью аналогичных в этом отношении не только человеческой личности, как главному компоненту общества, но и некоторым неживым его компонентам (книги, фильмы и т. д.).

Тем не менее отсутствие полной аналогии еще не означает отсутствия частичной аналогии, которая может быть и бывает довольно существенной. Хотя в живой природе практически нет такой концентрации^[4] кодированного отображения главного и существенного во всей качественной специфике целого на уровне единичных компонентов, явления того же типа, несомненно, наблюдаются и в ней. Впрочем, в относительно более полном объеме такие явления относятся обычно к подсистемам, т. е. к целостным группам специализированных компонентов, — к органам или органеллам. Например, в определенных особенностях структуры всего хромосомного аппарата зародышевой клетки могут быть, по выражению, употребительному в кибернетике, «представлены» главные результаты прошлой истории вида и данной филогенетической линии — в форме унаследованной программы индивидуального развития и норм реакций иной раз весьма «сложного» организма. Даже в отдельно «взятых» макромолекулах ДНК и РНК могут быть представлены важные фрагменты генетической информации. Следовательно, и в живой природе качественная специфика структур целостных образований и процессов тоже проникает в структуры их компонентов, причем даже не только ближайшего яруса, но и не смежных, из числа нисходящих уровней организованности.

Правда, сказанное относится далеко не ко всем компонентам живой системы и далеко не в одинаковой мере, а более всего к тем, которые сами по своим структурам больше всего пригодны для такой функции. Например, никаких значимых фрагментов программы индивидуального развития и отображения результатов прошлой эволюции вида не может быть, скажем, в отдельно взятых атомах водорода, входящих в состав нуклеотидов и всей макромолекулы ДНК.

Следует иметь в виду и то обстоятельство, уже отмеченное в литературе, что вне прямой или преемственной связи с организмом или органом, бесспорно, у молекул ДНК и вообще у любых единичных компонентов молекулярного и атомарного уровней нет никаких биологических информационных свойств. Вне этих связей у полимеризованнных молекул ДНК или РНК есть все их физико-химические свойства, но только такие свойства. А то, что приобретают в живом целом эти специально пригодные для того молекулы, относится, по сути дела, к этому целому, к его истории, к его индивидуальному развитию, т. е. к биологии.

г) Качественная специфика живого на различных ступенях биологической организации

Со всем этим тесно связан другой вопрос, тоже важный в методологическом отношении. По общему признанию, в живой природе существует не один уровень, а несколько уровней организованности. Отношение уровней организованности состоит, как известно, в том, что образования и процессы каждого последующего уровня суть органичные системы образований и процессов предыдущего уровня (которые и сами могут быть системами). А органичной системе и ее структуре присущи такие свойства и такая качественная специфика, которые не сводятся к свойствам и структурам ее компонентов, взятых порознь и вне органичной связи с данной системой или с другими системами того же порядка организованности. Между тем мы ставим перед собой задачу определить в главном общую качественную специфику биологических структур. Правомерна ли такая постановка задачи?

Сопоставим два бесспорных факта. Первый из них — существование по крайней мере трех «главных уровней» организованности живых систем: клетки, многоклеточные животные и надорганизменные системы. Второй — это все то, что было отмечено выше относительно несводимости качественной специфики органичных систем и их структур к тому, что присуще их компонентам (различных нисходящих уровней), взятым порознь и вне преемственной связи с целым. Из этих фактов с необходимостью следует, что качественная специфика биологических структур не может быть одной и той же во всей живой природе и на всем протяжении эволюции. Эта качественная специфика должна быть существенно различной на разных ступенях развития биологической организации.

Однако этот вывод отнюдь не исключает другого, тоже бесспорного положения. Оно состоит в том, что возможно (и целесообразно с точки зрения познавательных задач) выделять группы важнейших свойств, характеризующие именно общее (в смысле сходного) для всех ступеней развития и типов живого и его структур. Никакого искажения объективной истины при этом не будет, если не забывать, во-первых, о том, что каждое из выделенных свойств не остается одинаковым, глубоко изменяется на разных уровнях организованности живого. Во-вторых, необходимо учитывать, что буквально каждое из тех свойств, которые будут обрисованы, взятое в отрыве от остальных, не может служить основой для «краткого определения» качественной специфики живого, так как встречается — пусть в менее развитых формах — также и в неживой природе. Даже самосовершающиеся процессы обновления молекул и атомов («химических составных частей») наблюдаются у пламени или у некоторых вихревых образований, или в поверхностных слоях — у кристаллов в маточном растворе.

д) Проблема качественной специфики жизни и моделирование

Важное методологическое значение приобрел в последнее время (главным образом в связи с проникновением методов кибернетики в биологию) также вопрос о связи проблемы определения качественной специфики жизни с проблемой моделирования функций (значит, и структур) живого.

Нам кажется, что в этом вопросе часто допускается путаница. Нельзя смешивать эти проблемы; между ними нет обязательной логической связи. В принципе можно моделировать любые биологические структуры и деятельности. Но если модель (математическая или техническая) удачна, если она в достаточной для данных целей степени изоморфна структуре живого организма и его деятельности, то она отображает ту или иную сторону качественной специфики именно биологической, а не физической или химической формы движения материи. В этом и состоит назначение всякой модели — отображать специфику другого (моделируемого) объекта. Следовательно, тот факт, что построенная, например, «физическая» (точнее, техническая, а не физическая) модель удачно воспроизводит, отображает те или иные свойства и стороны деятельности биологических образований, вовсе не становится доказательством «сводимости» биологического к физическому. Надо отметить, кроме того, что, когда инженер-кибернетик строит такую модель, он обычно (пока еще техникой мало освоены явления самоорганизации вещества и управляющих автоматов) должен навязывать материалам, используемым в технике, структуру, не вытекающую из собственных свойств и потенций развития этих материалов. А в живой природе явления самоорганизации вещества играют очень важную роль. Без них невозможно и первичное зарождение жизни.

Говоря о несводимости качественной специфики системы как целого к «простой сумме» свойств и качеств ее компонентов, мы не отметили того, что даже простая сумма не остается чисто «аддитивной» по своим признакам, свойствам. Она приобретает нечто такое, чего нет в слагаемых, взятых порознь. Даже в арифметике сумма может приобретать особенности, целиком исчезающие при ее разложении. Например, в сумме двух нечетных чисел появляется признак четности и т. д. Но все же сумма (как и произведение), несомненно, располагает значительно меньшими возможностями приобретать существенно новое по сравнению с теми возможностями, какие присущи гораздо более многосторонним и содержательным взаимосвязям при высших формах интеграции, на основе которой развиваются тоже более содержательные формы дифференциации. Поэтому при более полных определениях специфики биологических структур необходимо обращать серьезное внимание также и на различия в степени ее несводимости к специфике структур, присущих элементам, в частности и физико-химическим.

Так как понятие структуры охватывает, вопреки распространенному среди биологов мнению, не только пространственную организацию (строение), но и весь процесс функционирования, «поведения» живой системы и ее компонентов, то все сказанное выше о «несводимости» целого к простой сумме частей должно быть справедливо также и по отношению к процессам жизнедеятельности. При этом необходимо учитывать те глубокие различия, какие существуют между отдельно взятыми звеньями циклов реакций, актами «элементарных взаимодействий» и целостными процессами, протекающими в клетке или многоклеточном организме. Процесс тоже бывает органически-целостной системой актов элементарных взаимодействий; следовательно, к соотношению процесса и единичных реакций (в том числе, например, и рефлексов) применимо все то, что говорилось выше об основаниях несводимости данного типа. Это применимо, в частности, и к вопросу о несводимости законов жизнедеятельности клетки к простым «агрегатам» законов элементарных физико-химических взаимодействий. В этом еще одна важная основа несводимости биологического к физическому или физико-химическому.

Попытаемся теперь после этих методологических замечаний тоже кратко определить важнейшие проявления качественной специфики биологических структур.

3. О важнейших признаках общей специфики биоструктур

В той совокупности признаков или свойств, которая, как мы видели, только в целом характеризует и в самой действительности создает качественную специфику живых систем и их структур, можно выделить (как по относительному их значению, так и по логическим взаимосвязям) несколько групп наиболее существенных свойств, по-разному выраженных на различных уровнях биологической организации, но имеющих вместе с тем сходные черты.

а) Постоянное обновление фрагментов биоструктур. Преемственность. Приспособляемость

К первой группе относится прежде всего постоянное обновление химических и надмолекулярных элементов или компонентов живых систем, а значит — и фрагментов биоструктур. Тут необходимо пояснение. Этот процесс оказывается самообновлением, самосовершающимся чаще всего лишь по отношению к организму как целому. Далеко не все химические компоненты живого тела, т. е. молекулы, ионы, атомы, действительно способны к этому. Мало того, не все клетки, входящие в состав многоклеточного организма, сохраняют эту способность в течение неограниченного времени, как самостоятельно живущие одноклеточные. Даже в надорганизменных системах того типа, к которому вполне применимо понятие «организма», например в семьях пчел, термитов, муравьев, большинство особей утрачивает способность к размножению. Однако теперь можно сказать, что некоторые специализированные молекулы, видимо, действительно обладают способностью к самостоятельному воспроизведению (авторепродукции). Разумеется, без определенных условий и факторов, имеющихся в клетке, эти молекулы, как подчеркивают многие биологи, не могут синтезировать свои «копии»; но и в данном отношении не все необходимое равноценно. Как бы ни были усложнены процессы биосинтеза недостающих половинок или участков макромолекул ДНК, именно собственные структуры уже имеющихся цепей этих молекул играют здесь непосредственно организующую роль. И в «неорганической» природе наблюдаются явления этого типа. Такова, например, ведущая роль «затравки» при кристаллизации как «модели движения». Значит, и признак авторепродукции, очевидно, не может сам по себе служить специфическим отличием живого.

Обновление компонентов неразрывно связано в живых телах с обменом веществ. Но это не только «обмен» и не только с окружающей средой. Вопреки общепринятому до самых последних лет мнению, обмен веществ между живым телом и средой, будучи всегда необходимым, отнюдь не главное в содержании жизни. По мере дифференциации органелл и органов все большее значение приобретают внутренние для живой системы взаимосвязи между собственными ее подсистемами и компонентами. Понятие обмена, принятое в биологии, видимо, под впечатлением преимущественно внешних, более доступных изучению последствий и предпосылок тех сокровенных внутренних процессов, детали которых наука начала выяснять по-настоящему лишь два-три десятилетия назад, очень неадекватно отображает суть дела. Гораздо точнее, чем понятие «обмена», биологическую специфику этих процессов отображают понятия диссимиляции и ассимиляции. Но и эти понятия сами по себе недостаточны. Они указывают на глубинные отношения и взаимодействия, скрытые за внешними проявлениями предпосылок и последствий другого явления — самого важного из того, что совершается в недрах протоплазмы, а также на более высоких ярусах биологической организации. Это — единство противоположных процессов саморазрушения и самосозидания живого. Заметим, что необходимость саморазрушения живого вытекает, видимо, не столько из тепловой деструкции и «износа» частей и компонентов, сколько из внутренне присущей им «устойчивой неравновесности» (Э. Бауэр).

Энергия, необходимая для этих и вспомогательных внутренних процессов, для обмена веществ со средой и для активных действий вообще, конечно, извлекается организмом из окружающей среды. Поэтому выражение «обмен веществ», употребляемое в биофизическом аспекте, дополняется обычно понятием «обмен энергий», а в последние годы, при употреблении этого выражения в кибернетическом аспекте, также и указанием на «обмен информаций». Но и в этом значении термин «обмен» приходится признать неудачным. Суть дела тут заключается не в «обменивании», а в явлениях совершенно другого типа.

Это, прежде всего, избирательное поглощение веществ либо в качестве материалов для биосинтезов, либо просто в качестве «горючего». Нередко одни и те же вещества, богатые «макроэргическими» связями, выполняют, в зависимости от внутренних условий и состояний, обе эти функции. Вместе с тем это также концентрация веществ и энергий внешнего происхождения. Они превращаются тогда в собственное достояние живого тела. Организм чаще всего сам определяет затем, где и когда будут использоваться и освобождаться полученные извне вещества и энергии. В ходе эволюции вырабатываются механизмы, обеспечивающие, в среднем для данного вида, относительно самую высокую эффективность использования этих ресурсов. Одно из простейших проявлений этого свойства было названо «автоэргией» — способностью живого тела передвигаться в силу причин, лежащих главным образом в нем самом. Непосредственная основа этих (равно как и всех других важнейших для жизни) процессов — определенная надхимическая организация, наличие определенных, специфичных для живого форм дифференциации и объединения, взаимодействий и соотношений специализированных частей, в том числе и молекулярного уровня. Ясно, что это не просто «автоэргия» вообще, а специфическая ее форма.

В неживой природе есть свои формы явлений, выражающих способность некоторых тел в основном самостоятельно порождать или преобразовывать физическое движение. Но биологическое «самодвижение», или, в более широком смысле, биологическая самодеятельность, отличается от этих форм тем, что у живых тел даже чисто физическая автоэргия становится все более высоко организованной (наглядный пример — внешние перемещения животных).

К первой группе свойств живых тел относится, безусловно, и преемственность. Понятие это шире и точнее, чем «наследственность». Оно отображает, в частности, воспроизведение молекул и более сложных частей не только в цепи поколений, но и в каждом цикле онтогенеза (филогенетическая и онтогенетическая преемственность). Именно потому, что важнейшие (обычно самые сложные на предыдущем уровне) компоненты живой системы неизбежно разрушаются по различным причинам, постоянное или периодическое воспроизведение новых компонентов и оказывается одним из самых необходимых признаков живого. А воспроизведение, в отличие от простого сохранения, может быть обеспечено лишь при условии существования определенных пространственных структур и способов, механизмов их функционирования (функциональных или интенсивных структур). Так, это достигается в процессах биосинтеза белка в клетках, размножения клеток в органах многоклеточных растений и животных или же в процессах порождения новых организмов, входящих в надорганизменные объединения. Новые компоненты живых систем создаются, как правило, в старых формах. Все это весьма сложные процессы, осуществляемые аппаратами не одного, а нескольких «ярусов» биологической организации. Иными словами, свойство биологической преемственности также зависит от сравнительно высоких уровней структурности, организованности материи и процессов ее движения, изменения и развития.

К числу самых фундаментальных свойств живого принадлежит, также сравнительно более высокое, чем в неживой природе, развитие пластичности и приспособляемости. Только благодаря высокой степени развития этих свойств (присущих в простых формах также и неживым системам, но у живых систем достигающих высокого развития — главным образом в результате действия естественного отбора) возникает специфичная именно для организмов и видов относительная целесообразность реакций и способность преемственных усовершенствований.

В наши дни это часто выражают понятиями кибернетики — как способность накапливать, воспроизводить в онтогенезе и филогенезе, считывать и использовать для саморегулирования, управления и самоорганизации (понимаемой в смысле индивидуального развития, в частности — обучения) информацию, закодированную в структурах макромолекул ДНК или РНК. Но было бы несправедливо забывать, что по существу те же концепции высказывались многими биологами в «качественном» виде, без формализации, задолго до рождения кибернетики. Во всяком случае нелишне еще раз подчеркнуть, что внутреннюю преемственность воспроизведения, в отличие от простого сохранения, и относительную целесообразность приспособления невозможно вывести как «следствия» из физических законов. Эти свойства присущи исключительно системам высокоорганизованным, начиная с биологических.

Так как объединение всех этих свойств и развитие каждого из них зависит от повышения организации, а оно представляет собою продукт эволюции, то эта историчность биоструктур и главная основа усовершенствований — естественная селекция (этот термин шире, чем термин «естественный отбор») также относятся к числу самых фундаментальных признаков, определяющих в своей совокупности главное в качественной специфике живого.

б) Системная упорядоченность и частичная неупорядоченность; централизация — автономизация; устойчивость — лабильность; преформация — эпигенез

Во вторую группу наиболее существенных признаков мы включаем ряд свойств, противоположных друг другу по характеру, но выступающих вместе, в тесной связи.

Говоря о биологической организации, обычно подчеркивают значение согласованности, слаженности, упорядоченности пространственных структур живого тела и протекающих в нем многочисленнейших процессов, реакций.

Это верное, но неполное определение. Для биологической организации специфично сочетание разнообразных выражений системной упорядоченности (в частности, симметрии и диссимметрии) отношений, связей и взаимодействий с частичной неупорядоченностью.

Дело в том, что высокая степень организованности материи отнюдь не исключает, но, наоборот, предполагает (и сама обеспечивает) сохранение и даже развитие относительной самостоятельности поведения подсистем и компонентов, а также сохранение и использование случайностных^[5] явлений. Кибернетика доказала в общей форме, что сохранение и усиление относительной независимости изменений частей повышают как многообразие изменений, так и надежность работы «очень сложных», высокоорганизованных систем.

В математике сохранение частичной неупорядоченности считается неизбежным свойством всяких структур и систем, основанных на принципе многоярусной иерархической соподчиненности элементов. А в биологии давно выяснено, что внутренние связи не превращают живые тела в монолиты, подобные кристаллам или «твердым растворам». Для жизненных процессов совершенно необходимо сохранение свойств коллоидных и жидких растворов. Иными словами, связи, объединяющие множества атомов и молекул, клеток и т. д. в органичные системы разных уровней организованности, не обладают абсолютной жесткостью. При замораживании, как известно, жесткость физических связей повышается, организм превращается в твердое тело, но тогда исчезают почти все биохимические и все физиологические, т. е. гораздо более содержательные и необходимые для жизни, связи.

Насколько существенно для жизненных процессов повышение степени и многообразия изменчивости, видно из того факта, что оно повышает способность организмов к наиболее быстрому усовершенствованию и приспособлению. В природе это часто оказывается необходимым условием успеха в борьбе за жизнь. Усиление централизации функций содействует их развитию, но снижает общее многообразие изменений и пластичность в целом. Поэтому сохранение относительной независимости изменений частей и даже повышение их автономности совершенно обязательны для прогрессивной эволюции. Дифференциация органов не только усиливает и обогащает внутренние для организма связи, но и повышает автономность органов (А. А. Малиновский; И. Б. Збарский недавно назвал такие явления, наблюдаемые в ходе онтогенеза, автономизацией частей). Применение современных методов математики и кибернетики, несомненно, позволит точно определять для любых высокоорганизованных систем и для каждой данной функции оптимальные сочетания централизации управления и повышения относительной независимости частей.

Со специфичными для живого формами единства системной упорядоченности и частичной неупорядоченности тесно связаны особые формы единства устойчивости или даже сверхустойчивости и мультиустойчивости^[6] и лабильности, пластичности. Эти свойства не нуждаются в пояснениях, равно как и сочетания специфичных форм внутренней предопределенности изменений, преформации и противоположной способности порождения нового, эпигенеза. Заметим лишь, что присущая организмам внутренняя предопределенность реакций и преобразований выражается чаще всего в существовании определенных норм и типов реагирования. Иными словами, она тоже не однозначна, сохраняет гибкость. Ее первичные формы возникают вместе с возникновением самой жизни на основе аналогичных, однако менее содержательных свойств неживых тел; но она, конечно, также не остается одной и тою же на всем протяжении эволюции или онтогенеза, а претерпевает существенные изменения. Одна из форм высокоразвитой преформации — это складывающиеся в ходе эволюции кодированные программы индивидуального развития, представленные в определенных модификациях молекулярных и супрамолекулярных структур зародышевой клетки. Такая преформация сама оказывается продуктом эпигенеза.

Отмеченным свойствам этой группы соответствуют различные сочетания жесткой, однозначной детерминации («лапласовского» типа) и детерминации статистической, «вероятностной». Применительно к отношению внутреннего и внешнего надо отметить, кроме того, сочетание эндогенной и экзогенной детерминации обоих вышеуказанных типов, однозначной и неоднозначной.

в) Сверхчувствительность. Усиление слабых физических и информационных воздействий

К третьей группе наиболее существенных свойств живого отнесем прежде всего раздражимость (возбудимость). Ее развитие в ходе эволюции связано с появлением способов усиления и преобразования сравнительно слабых воздействий извне и воздействий компонентов на «верхние ярусы» или на весь организм, а также — усиления собственных реакций компонентов. Этим обусловлена чрезвычайно повышенная «чувствительность» живой системы как целого к воздействиям «раздражителей». Она по праву заслуживает наименования сверхчувствительности. В усилении участвуют и «пусковые» механизмы («включатели» тока и др.), которые могут превращать один вид энергии в другой.

Кибернетика во многом выяснила теперь общие черты таких явлений, но об их существовании говорил еще Дарвин. Он сравнивал соотношение природы большинства из внешних воздействий и природы реакции организма с соотношением искры и взрыва. Смысл такого сравнения состоит в следующем. Явление раздражимости (возбудимости) есть не что иное, как способность системы отвечать на слабые воздействия во много раз более сильными реакциями и резко не соответствующими природе этого воздействия внутренними преобразованиями.

Конечно, такие явления возможны только при наличии определенных, специфических структур целого и частей, обеспечивающих легкое высвобождение энергии, накопленной за счет среды. Это наглядно поясняют примеры сжатой пружины, сдерживаемой устройством, которое освобождает ее потенциальную энергию при относительно слабом воздействии извне, или колоссального современного пресса, «повинующегося» легкому нажатию тумблера или кнопки на пульте управления.

Условия, характерные для биологических явлений такого рода, заключаются в следующем.

Во-первых, для них необходимы накопление и концентрация энергии, находящейся в относительно неустойчивом состоянии, так что эта энергия легко может переходить из потенциальной в кинетическую. Во-вторых, эта энергия, превращенная в собственное достояние данной системы, приобретает характер высокоорганизованной энергии, становится качественно иной. Второе условие, очевидно, самое важное. В-третьих, энергия экзогенного воздействия не только усиливается, но и преобразуется, превращаясь обычно в другой вид энергии. Так, энергия фотонов может превращаться в аппаратах рецепторных окончаний глаза в энергию волны ионных процессов, называемой нервным возбуждением. В целом реакция «раздражимого» тела может очень существенно отличаться от характера воздействий извне, которые бывают различными, а вызывают одну и ту же реакцию. Известно, что одна и та же реакция денатурации белка может вызываться весьма несходными агентами. Но не любые экзогенные воздействия вызывают в нормальных условиях реакции данных рецепторов, а только определенные классы воздействий. В этом состоит одна из основ значения раздражимости как предпосылки, необходимой для дальнейшего развития свойства отражения: уже на этой ступени существует адекватность различения классов раздражителей.

Специфичной для биологических структур особенностью способов усиления слабых воздействий извне или со стороны небольших групп молекул и атомов, входящих в состав организма, снова оказывается сочетание нескольких типов этих способов. Порознь они встречаются как в неживой природе, так и в современной технике, еще только приближающейся к уровням биологической организации. Главный из этих способов — размножение импульсов и информации. Кроме того, в живых системах используются также простое и каскадное усиления. Размножение импульсов и информации достигается тоже несколькими способами: а) простым многократным повторением; б) усложненным воспроизведением и в) разветвлением передаваемых по проводящим путям возбуждений, кодирующих так или иначе элементы отображений программ и «команд». Как установлено, каждая часть макромолекулы ДНК, несущая дискретно действующий и воспроизводимый фрагмент генетической информации, в процессе авторепродукции этой макромолекулы или в процессе матричного синтеза РНК воспроизводится многократно.

В свою очередь, на каждой матричной молекуле РНК синтезируется (в полирибосомах) не одна, а много молекул белка. Превращаясь потом так или иначе в сложные или относительно более простые ферменты, некоторые из молекул синтезированного белка тоже многократно выполняют функции катализаторов (непосредственных организаторов) того или иного звена какого-нибудь цикла реакций. В результате всего этого могут происходить более или менее существенные изменения в клетке как целом. Но клетки и сами могут размножаться, многократно влиять друг на друга и т. д. Так создается исключительно своеобразное положение: во многих случаях сравнительно ничтожные изменения, скажем, всего одной молекулы ДНК, вызывают изменения, которые, распространяясь и усиливаясь в разветвленных цепях реакций, охватывают сложнейший многоклеточный организм в целом и даже весь вид таких организмов, что может повлиять и на состояние всей биосферы.

Чрезвычайно высокого развития такие явления достигают в структурах нервной системы, взаимосвязанной, конечно, с эффекторными и рецепторными органами. Олень может умчаться на километры, услышав легкий шум шагов или увидев издали охотника; а ведь при этом животное испытало сравнительно ничтожные физические воздействия. Первичные «входные» изменения рецепторных окончаний влияют на целостный процесс поведения этого сложнейшего многоклеточного организма, конечно, не сами по себе, ибо для этого их энергетические уровни слишком недостаточны. Такие изменения могут оказывать существенное влияние лишь потому, что они содержат информацию, включаются в цепи внутренних взаимосвязей и после многократных усилений, преобразований и распределений приводят в действие гораздо более могущественные и, главное, упорядоченные определенным образом, высокоорганизованные силы. Способы и характер влияний этих сил ставится в соответствие не только индивидуальному, но и видовому опыту прошлого. А это позволяет животному также и заранее предвидеть, предугадывать вероятные последствия собственных активных действий.

Само собой понятно, Что такие явления возможны только в условиях высокоорганизованных структур определенного типа (или типов). Обратим внимание еще на одну сторону данного вопроса. При отмеченных условиях возникает очень важное отношение, которое противоположно обычно трактуемому взаимоотношению целого и частей. Когда речь идет об органической целостности, обычно подчеркивается зависимость частей от целого. Это верное, но тоже неполное положение. При повышении организации усиливается и зависимость целого от изменений, реакций даже сравнительно малых, но специализированных компонентов. Так, небольшие группы нейронов, входящих в состав аппарата какого-нибудь из ключевых узлов мозга, могут оказывать тормозящие или возбуждающие воздействия на всю его деятельность, а тем самым — и на поведение животного, групп животных и т. д.

Аналогичное возрастание роли даже частей единичных молекул мы уже отмечали, упоминая категории явлений передачи генетической информации. Подчеркнем теперь, что явления этого рода тесно связаны еще с одним важнейшим свойством живого — со способностями кодированного отображения и программирования.

Необходимо учитывать, что, как уже отмечалось в литературе, для живых (и вообще высокоорганизованных) систем непосредственное, «физическое» содержание явлений раздражимости и сверхчувствительности становится второстепенным. В условиях чрезвычайно усложненных связей (преемственных и организационных) между «слабым стимулом», скажем, серией волн той или иной природы, и клеткой или многоклеточным организмом собственно физическая (и химическая) «сторона» процессов усиления слабых воздействий, оставаясь необходимой, становится второстепенной. Она сначала дополняется, а затем и оттесняется на второй план, играя роль «снятых» моментов гораздо более богатых содержанием «информационных» процессов.

Тогда слабые физические воздействия приобретают значение сигналов, а раздражимость и сверхчувствительность дополняются способностью «распознавать» сигнал и способностью использовать поступающую информацию. В частности, возникают и развиваются различные способы усиления информации и регулирования. Как при всяком усилении, это происходит за счет мобилизации внутренних запасов информации и аппаратов регулирования, накопленных и выработанных ранее (организмом и видом), т. е. при этом информация и средства регулирования, как и энергия, не возникают «из ничего» или «беспричинно». Материалистическое объяснение таких явлений — одна из важных заслуг кибернетики.

Необходимо подчеркнуть, что их исследования не означают признания той «теории усиления», которую выдвинул немецкий физик П. Йордан. Эта теория основана, как отмечалось в литературе^[7], на распространении ложной идеи индетерминизма микрофизических явлений на «макрофизические» процессы в организмах. Но эта теория отнюдь не оригинальна. Она представляет собою лишь вариацию на темы «органического индетерминизма» — одной из организмических теорий, возникшей еще в 1927 г. (Ф. Г. Уэллс, Р. Лилли, О. Рейзер). Именно исследования процессов усиления физических и информационных воздействий — процессов, имеющих очень важное значение для всех и особенно для высших форм жизни, — совершенно необходимы не только для разрешения целого ряда актуальных теоретических и практических проблем, но и для успешной борьбы с новейшими формами идеализма в естествознании.

г) Суперструктуры

К четвертой группе наиболее существенных свойств живых систем и их структур (число таких групп, видимо, следовало бы увеличить) надо отнести те, которые возникают (при наличии всех названных выше свойств) на основе развития взаимосвязей организма и окружающей среды.

Мы имеем в виду зависимость пространственных структур и функций данной живой системы не только от непосредственных взаимодействий между ее собственными частями, а также не только от прямых или косвенных ее отношений и связей с наличными, непосредственно действующими на нее внешними условиями и событиями. По мере прогрессивной эволюции все большее значение приобретает, кроме того, зависимость от весьма отдаленных иногда в пространстве и времени прошлых и даже будущих событий. Нередко они еще (или уже) не действуют на данный организм, но их прошлые или вероятные воздействия должны учитываться. Разумеется, обязательное условие возможности полного проявления такого свойства — это достижение самых высоких уровней и наиболее совершенных форм структурно-функциональной организации. Однако менее развитые и частичные его проявления широко распространены в живой природе.

Создается такое положение, когда в непосредственных взаимоотношениях и взаимосвязях между атомами, молекулами или клетками данного организма — короче, в непосредственных его структурах — оформляются и приобретают все более важное, а потом и главенствующее значение какие-то иные структуры, не принадлежащие им, внешние по своему происхождению. Это — опосредствованные первыми и закодированные в них зависимости и соотношения между событиями или условиями, сферы которых далеко выходят за пределы круга прямых или косвенных взаимодействий единичных, отдельно взятых живых тел с окружающей их средой. По сравнению с теми зависимостями, которые формируются в непосредственных отношениях и связях, вторые, опосредствованные отношения и связи можно назвать сверхзависимостями, сверхупорядоченностью. Иными словами, речь идет о существовании в живых системах суперструктур, или структур высших порядков.

Они обязательно включают информационные процессы и выражаются не только в еще большем возрастании зависимости частей от целого и целого от частей, но также — и это главное — в усилении зависимости внутреннего от внешнего. Обратная зависимость внешнего от внутреннего еще мало развита в живой природе, достигая высоких ступеней лишь в человеческом обществе.

Эти непривычные понятия (которые, впрочем, отображают просто одну из форм давно известного диалектического единства непосредственного и опосредствованного) требуют некоторого пояснения. Приведем более наглядный пример.

Вот перед нами лист бумаги с нанесенными краской буквами. У них, как и у самой бумаги, есть свои структуры (главным образом пространственные). Эти структуры определяются физико-химическими и техническими ствойствами волокон, клея, краски, их взаимосвязями и процессами изготовления бумаги и печатания или письма.

Но предположим, что в тексте описывается структура более высоко организованного объекта — строение и физиология какого-нибудь животного. Если нет рисунков, то эта вторая структура совершенно не может быть угадана человеком, не знающим данного языка, не умеющим «считывать» данный код. Таким образом, на основе закономерных, достаточно устойчивых связей между этим предметом и той системой, в которую он включен в качестве одного из ее компонентов, и на основе, конечно, высоко развитой способности человеческого мозга отображать свою социальную и природную среду, — в результате всего этого здесь произошло следующее: на физико-химические и геометрические структуры данного предмета «налагается» дискретная упорядоченность, структура гораздо более высоких, даже сколь угодно более высоких порядков, уровней. Она только опосредована в первых. Совершенно очевидно, что ни по своему происхождению, ни по своей природе она не принадлежит данному предмету — листу бумаги. Конкретные соотношения и связи, представленные в нем в кодированной форме, были навязаны материалам бумаги и красок.

Эти навязанные «сверху» отношения и связи данных фигур (знаков кода) могут выражать чрезвычайно сложные зависимости от всей системы общественных отношений или от событий космических масштабов (скажем, в тексте сочинения по космологии). Эти отношения и события не влияют прямо, непосредственно на данный предмет, так, чтобы в результате на нем (на бумаге) могли возникнуть данные отпечатки слов и фраз. Но после того, как эти отношения и связи, представленные в сочетаниях букв, были навязаны бумаге, она сама приобрела новое свойство. Последнее состоит в том, что она содержит сверхзависимости, выраженные в ее собственной суперструктуре.

В живой природе явления такого типа тоже играют важную роль, но менее сложны, так как там они лишь начинают развиваться. Никаких полных аналогий в этом плане между неживой природой и живыми (или социальными) системами, видимо, нет. Пусть менее развитые, чем в обществе, такие явления очень характерны, очень специфичны для живого. Вот они-то и выражены в различных формах биологической информации.

Для записи и воспроизведения генетической информации в природе есть свой наиболее подходящий материал — макромолекулы нуклеиновых кислот. Они пригодны для этой функции потому, что тоже оказываются «чистой доской» в том смысле, что допускают практически неограниченное разнообразие сочетаний знаков генетического кода. Правда, некоторые биохимики и генетики считают, что это далеко не единственный субстрат в клетке, пригодный для такой функции; но данный вопрос мы оставляем здесь в стороне. В рассматриваемом аспекте важно учитывать следующее. Как известно, связи между звеньями остова макромолекулы нуклеиновой кислоты — нуклеотидами — совершенно одинаковы. «Остатки» молекул азотистых оснований, выполняющих функции знаков генетического кода, расположены сбоку и не влияют на относительное расположение нуклеотидов. Значит, расположение этих групп атомов вдоль двойной (ДНК) или ординарной (РНК) цепи остова не может определяться физико-химическими свойствами этих молекул. Данные сочетания знаков генетического кода во всем наборе молекул ДНК, включенных в аппарат ядра данной зародышевой клетки организма данного вида, совершенно бесспорно, не могут определяться также ни цитологическими свойствами самой этой клетки, ни свойствами данной многоклеточной особи. Истинными главными причинами образования и закрепления именно таких, а не других сочетаний этих знаков (групп атомов) вдоль остовов всех молекул ядерного аппарата зародышевой и соматических клеток данного организма, совершенно очевидно, служат процессы естественного отбора и другие процессы эволюции. При этом, действительно, постоянно сохраняется определенная зависимость и самих процессов эволюции, и процессов генетического кодирования от специфических свойств молекул нуклеиновых кислот (зависимость от свойств других веществ и особенно белков мы оставляем в стороне). Но не трудно видеть, что зависимость от физико-химических свойств молекул веществ определенного класса, наиболее пригодных для выполнения функции материального носителя фрагментов генетической информации, выражается тут, по сути дела, именно в том условии, чтобы физико-химические свойства этих макромолекул обеспечивали достаточную степень независимости содержания кодируемой информации (отображений прошлой эволюции и программ онтогенеза) от материала.

Таким образом, в суперструктурах ДНК зародышевой клетки, т. е. даже на уровне молекулярных компонентов живой системы, могут быть представлены (в кодированной форме) не физико-химические, а биологические события, зависимости, закономерности, структуры — фрагменты отображения важнейших результатов прошлого влияния естественного отбора и прямого приспособления на данный вид и организм, а вместе с тем фрагменты унаследованной программы будущего индивидуального развития особи.

* * * * *

В заключение подчеркнем еще раз, что все эти группы свойств, рассмотренные нами, конечно, далеко не полно, лишь в своей совокупности образуют главные основы качественной специфики биологических структур — и самой жизни.

М. Ф. Веденов, В. И. Кремянский

1. И. В. Кузнецов. Принцип причинности и его роль в познании природы. В кн.: «Проблемы причинности в современной физике». М., 1960, стр. 62—63. ↑
2. Л. Бриллюэн. Наука и теория информации. М., 1960; см. также: Ф. П. Тарасенко. К определению понятия «информация» в кибернетике. «Вопросы философии», 1963, № 4; Л. А. Петрушенко. Взаимосвязь информации и системы. «Вопросы философии», 1964, № 2. Заметим, что здесь термин «информация» принимается в более широком значении, чем в классической теории (см. . Шэннон. Работы по теории информации и кибернетике. М., 1963; С. Голдман. Теория информации. М., 1957; В. М. Глушков. Введение в кибернетику. Киев, 1964). ↑
3. Широко распространенный теперь «функциональный» подход оказывается в действительности структурным. Обычно структурой называют только пространственное строение; между тем процессы функционирования также имеют свои структуры. Часто употребляемый термин «структурно-функциональная организация» охватывает оба типа структур, если слово «структура» понимается только в смысле строения. В биологии употребителен более точный термин «морфофункциональная организация». ↑
4. Концентрацию кодированного отображения не следует смешивать с потенциальной «информационной емкостью», которая может быть очень большой даже в неживых телах, но не используется вне связей с высокоорганизованными системами. ↑
5. Это слово, образованное по аналогии со словом «вероятностные», кажется более пригодным в данном контексте, чем слово «случайные». ↑
6. См. У. Р. Эшби. Введение в кибернетику. М., 1959. ↑
7. См. В. Холличер. Природа в научной картине мира. М., 1960, стр. 292—294. ↑