. Основы естествознания

1.1. Биология, медицина и информация

1.1.1. Основы понимания развития Природы

Познание законов Природы для человека всегда являлось интересной, важной, но вместе с тем и сложной задачей. Многие поколения исследователей, философов, естествоиспытателей стремились узнать причины эволюционного развития живой материи. Понятие “закон Природы”, впервые введенное в терминологию научного познания И. Ньютоном, долгое время несло в себе отпечаток детерминизма, устойчивости, завершенности. Внутреннее понимание этого постулата всегда приводило к мысли о симметричности сил действия и противодействия, реализуемых в Природе, тесной и однозначной взаимосвязи настоящего и прошлого. В этом смысле естественным образом полагалось, что во временном потоке событий прошлое и будущее играют одинаковую роль. Так, в мыслимом эксперименте полагалось, что малые изменения текущих событий вызывают такие же изменения в будущем.

Наука, как социальное явление, неразрывно связана с днем сегодняшним. Это феномен, который проникает во все сферы деятельности человека, изменяет не только материальную составляющую нашего общения с Природой, но и внутреннюю, ту, которую в прежние времена принято было называть духовной составляющей. Постоянно увеличивающийся темп развития научных исследований показывает нам с очевидной ясностью несостоятельность детерминистических воззрений на природные процессы, в том числе и процессы, протекающие в живых организмах. Все с большей очевидностью проявляются факты, свидетельствующие об ограниченности детерминистических взглядов, их применимости только к достаточно малым промежуткам времени, в которых проводятся натурные наблюдения. Сегодня уже нет того понятия “абсолютизма”, которое владело учеными прошлых эпох.

В таком случае нельзя рассматривать сложившуюся ситуацию восприятия природных процессов как полностью случайную, совершенно не связанную с прошлым и не влияющую на будущее. Это неверное понимание. Идея нестабильности природных процессов, их вариабельности проникла и укрепилась в научном сознании сравнительно недавно. Нестабильность, непредсказуемость и, в конечном счете, время, как сущностная переменная, стали играть теперь немаловажную роль в преодолении той разобщенности, которая всегда существовала между социальными исследованиями и науками о природе.

• Сегодня можно сказать, что определенные в прошлом Г. Лейбницем представления об Универсуме одержали победу над детерминистическими воззрениями И. Ньютона. Материя, согласно этой концепции, представляет собой вечно движущуюся массу в непрерывном потоке событий пространства, удерживающего весь ансамбль материальных частиц. В отличие от традиционного представления Л. Больцмана об однородности материальных частиц, доступных для исследования, мы сегодня признаем возможность существования таких материальных образований, в которых такое правило является большой редкостью, или может наблюдаться только на ограниченном интервале времени. Внеся такие поправки в основные понятийные представления о материальном мире, мы вынуждены признать, что Природа предстает уже не как детерминированный объект, а как сложная система, состоящая из многих, очень часто неоднородных по свойствам и функциональным характеристикам элементов, имеющая иерархическую структуру. И самое главное — описательный уровень элементов, входящих в изучаемую систему, становится сложным, состоящим из еще более мелких представлений и дополнений.

Х. Бергсон (1859–1941) — известный французский философ. Х. Бергсон родился в тот самый год, когда был опубликован труд Ч. Дарвина “Происхождение видов”. В Европе тогда велись живые дискуссии о смысле эволюции. Х. Бергсон рано осознал, какое значение имеет понятие эволюции для философии. В те годы превалировало механистическое мировоззрение, согласно которому все вещи должны были объясняться в терминах материи и движения.

Пользовавшийся популярностью взгляд Э. Канта на непостижимость последней реальности, его позитивизм и широко распространенный скептицизм в отношении религии и всего сверхъестественного — все это соединилось в мировоззрение, которое делало безнадежным любое стремление постигнуть смысл бытия, выходящего за пределы материального мира. Однако Х. Бергсон не принял ни узкого взгляда на мир, ни теории о границах познания, ни отрицания человеческой свободы. С его точки зрения, современные мыслители некритически восприняли новый феномен эволюции, втиснув его в рамки старого материалистического мировоззрения, и Х. Бергсон поставил под сомнение справедливость традиционных предпосылок механицизма.

Механицисты объясняли эволюцию следующим образом: живые организмы развивают способность к изменчивости; некоторые из приобретенных черт позволяют им адаптироваться, выжить и передать по наследству полезные свойства. Окружающая среда соответственно “отбирает”, каким организмам можно продолжать существование и в конечном итоге выделиться в отдельный вид, а какие организмы должны погибнуть. Согласно этой теории, вся история жизни на Земле со всем разнообразием видов, родов и классов должна быть понята исключительно с точки зрения физических условий ее протекания. В таком понимании сама живая материя есть не что иное, как совокупность физических и химических элементов. В жизни не заключено никакой цели, а в самих организмах — никакой избирательности. Эволюция не имеет направления. Свобода невозможна, а человек есть просто высшее животное.

Хотя Х. Бергсон не намеревался воскресить понятие о “конечных” (целевых) причинах, он видел в широкой картине естественной истории, ставшей более понятной благодаря открытию биологической эволюции, свидетельство фундаментального и важного фактора, не замеченного теми, кто был поглощен чисто физическим объяснением явлений.

Неоспоримый факт эволюции — постоянное рождение нового организма. На сцене природы мы не увидим скучного однообразия, действий одной и той же пьесы. Здесь нет фиксированной схемы, повторяющейся механически. Природа есть творческий процесс и порыв к новым формам и функциям, и не только в индивидуальных существах (например в человеке), но и в рамках целых видов. В живых существах заложено целенаправленное, творческое начало. Хотя существование живых существ обусловлено факторами окружающей среды, они обладают способностью к адаптации, а в их поведении выражается присущая им индивидуальность. В самой жизни, распространенной по всей земной поверхности, имеется порыв к жизни, цели, творчеству и новым смыслам. Эти идеи были развиты в главной работе Бергсона “Творческая эволюция” (1907 г.).

Однако прежде, чем взгляды Бергсона окончательно сформировались, ему пришлось подвергнуть сомнению множество предпосылок, которые разделяли современные ему философы. Все еще оставалось в силе старое представление о причине и следствии. Согласно этому взгляду, все, что содержится в следствии, существует ранее в причине. Аксиомой считалась идея, что ничто не возникает из ничего, и поэтому не может появиться ничего действительно нового. Однако уже по самому понятию эволюции в реальности происходит нечто прямо противоположное. Поэтому Х. Бергсон подверг сомнению применимость к явлениям жизни традиционного принципа причинности.

Еще более глубокой и революционной была идея Х. Бергсона о самой природе существования. Начиная с греков, целью большинства философов было определение всех вещей в терминах бытия — постоянно пребывающего, вечного, неизменного. Но изучение эволюции показало, что фундаментальной реальностью следует считать сам поток (у греческих философов — “становление”), а более полно — потоки. Редуцировав постоянный процесс изменения к системе фиксированных материальных элементов, наука подчинила природу предвзятой и искусственной схеме “механического повторения”. Значительным вкладом Х. Бергсона в философию была новая концепция существования как изменения во времени, длительности, свободного, творческого движения жизни.

На основе этих представлений сегодня можно сказать, что внешний и внутренний мир человека связаны, они существуют. Мы можем представить и многократно проверить, когда внешние воздействия на организм человека, например, в виде физических нагрузок или других материальных факторов, воспроизведут такое же состояние организма, как и некоторые имитационные информационные воздействия, проведенные, например, в форме высказываний или восприятия событий внешнего мира на сенсорном уровне. Упрощая, можно сказать, выхолащивая эту мысль до простого высказывания, мы понимаем, что существуют как физические, так и информационные факторы, которые способны ввести организм человека в одинаковое состояние. В этом можно усмотреть связь внешнего и внутреннего универсума.

Наличие взаимосвязи универсумов порождает движение. В терминах биологической термодинамики, основателем которой считается И. Пригожин, хаос, беспорядок внешнего мира, претерпевает изменения в живом организме — появляется порядок, систематичность. Живой организм может существовать в Природе, если в нем протекают процессы упорядочивания материальных, энергетических и информационных потоков.

Закон роста энтропии был сформулирован в 19 в. Другое дело, что на научном фоне той исторической эпохи время исключалось из научного описания, а энтропия рассматривалась лишь как закон роста беспорядка. Сегодня мы знаем, что увеличение энтропии отнюдь не сводится к увеличению беспорядка, ибо порядок и беспорядок возникают и существуют одновременно. Именно синтез и деструкция существует постоянно в живом организме, в Природе. Это можно проиллюстрировать так. Если в две соединенные емкости поместить два газа, допустим водород и азот, а затем подогреть одну емкость и охладить другую, то в результате из-за разницы температур в одной емкости будет больше водорода, а в другой — азота. В данном случае мы имеем дело с диссипативным процессом, который, с одной стороны, творит беспорядок (повышение температуры) и одновременно, с другой, потоком тепла создает порядок: водород — в одной емкости, азот — в другой. Порядок и беспорядок, таким образом, оказываются тесно связанными — один включает в себя другой. И эту констатацию мы можем оценить как главное изменение, которое происходит в нашем восприятии универсума сегодня.

Восприятие природы становится дуалистическим, и основная линия понимания — нашего восприятия событий и процессов в живой Природе — становится представлением о неравновесности. Причем такой неравновесности, которая ведет не только к порядку и беспорядку, но открывает также возможность для возникновения уникальных событий, ибо перечень возможных способов существования объектов в этом случае значительно расширяется по сравнению с равновесным, симметричным миром.

Используя математические представления такого процесса, можно показать, что в ситуации, далекой от равновесия, дифференциальные уравнения, моделирующие тот или иной природный процесс, становятся нелинейными, а нелинейное уравнение обычно имеет более чем один тип решений. Поэтому в любой момент времени может возникнуть новый тип решения, не сводимый к предыдущему, а в точках смены типов решений — в точках бифуркации — может происходить смена пространственно-временной организации объекта. Другими словами, мы можем наблюдать бесконечную череду очень похожих и все же разных событий, происходящих в живом организме. Совсем недавно это нас “смущало”, заставляло искать научные объяснения наблюдаемым явлениям. Это было необходимо, потому что на таком материале наблюдений мы строили “заключения” в медицинской практике, делали “выводы” о состоянии биологической системы. Желание узнать, как данный процесс будет развиваться в будущем, подталкивало исследователей к поиску методов построения прогноза. На этом пути было создано немало специальных математических методов анализа различных сигналов, получаемых при обследовании живого организма. Такие сигналы удалось зарегистрировать на живых организмах благодаря усилиям многих поколений ученых и инженеров, работающих в области биомедицинской техники. И все же сегодня очень перспективные и интересные результаты по анализу биологических сигналов удается получить используя так называемый фрактальный подход.

Фрактальный подход хорошо согласуется с современным видением мира. Так, космология теперь все мироздание рассматривает как в значительной мере беспорядочную среду, в которой выкристаллизовывается порядок. В определенном смысле здесь явно наблюдается аналогия с процессом по искусственному — лабораторному — выращиванию кристаллов. Из маленького первичного образца, обладающего определенной структурой и физико-химическими свойствами, возможно вырастить большой кристалл. Если переходить к рассмотрению более сложных систем, в которых можно наблюдать подобные явления, то здесь достаточно длительное время не удавалось получить удовлетворительных результатов. Но вот в 1958 г. Б. Белоусовым и А. Жаботинским была найдена такая химическая реакция, которая протекала в многокомпонентной системе и имела колебательный характер. В настоящее время известно большое количество подобных реакций, которые получили обобщенное название “химические часы”.

Реакция химические часы — химический процесс в стеклянном лабораторном стакане, в ходе которого раствор периодически меняет свою окраску с голубой на красную. Эту химическую реакцию можно воспроизвести в любой химической лаборатории. Первое, что поражает наблюдателя, — это устойчивый периодический характер смены цветовой гаммы. Можно так подобрать химические ингредиенты раствора, что наблюдаемая реакция будет идти непрерывно в течение нескольких суток!

Для внешнего наблюдателя создается впечатление, будто сами молекулы, находящиеся в разных областях раствора, могут каким-то образом общаться друг с другом. Из многокомпонентного раствора выбираются такие молекулы вещества, которые в текущий момент времени реагируют между собой, а результатом такой реакции является окраска раствора — его цвет. Во всяком случае, очевидно, что вдали от равновесия когерентность поведения молекул в огромной степени возрастает. В равновесии молекула “видит” только своих непосредственных соседей и “общается” только с ними. Вдали же от равновесия каждая часть системы “видит” всю систему целиком. Можно сказать, что в равновесии материя статична, а вне равновесия — эволюционирует. Усилим тональность этой фразы и скажем, что в равновесии нет проявлений “жизни”, это, по словам В. Вернадского, слепая — костная материя Природы. На таком представлении построена концепция неравновесной — живой — системы, в которой могут происходить уникальные события и флуктуации.

Наличие флуктуаций — неотъемлемое свойство живых систем, именно они способствуют развитию различных событий в системе, которые, в свою очередь, расширяют ее масштабы и повышают чувствительность к внешнему миру. И все же то, что мы видим в химической лаборатории, представляет собой просто модель реальных процессов. Надо признать, что это хорошая модель. Примем это за основу, и тогда, если модель так хорошо подтверждает наши представления о реальности колебательных процессов в живых системах, то надо найти способ зарегистрировать эти данные. Познание Природы, особенностей развития живых организмов можно проводить посредством наблюдений или измерительных процедур. Рассмотрим некоторые особенности измерительных процедур, их содержательную направленность.