Что такое жизнь и как она возникла? I-6-3.Терминологические бонбоньерки
I-6-3. Терминологические бонбоньерки
Что такое жизнь и как она возникла?
То обстоятельство, что термин "самоорганизующаяся система" совместим лишь с половиной из пяти значимых пар альтернативных признаков, характеризующих понятие "система", разумеется, определяется на основе однозначного представления о природе самоорганизации, которое я изложу после детального обсуждения всех трёх составляющих этого термина. Если такое чёткое представление отсутствует, то наличие многообразия объектов, формально описываемых одним и тем же термином "самоорганизующаяся система", может быть источником ложных представлений о природе вещей. Достаточно обнаружить любой из признаков системы, обозначенных выше, как S, M, I, A и Op, чтобы сделать заключение о том, что в таком случае о самоорганизующейся системе естественного происхождения не может идти и речи. Таким образом, можно сказать, что первая часть операции по покомпонентному разложению и изучению сложного термина оказалась результативной.
Вторым компонентом из трёх, входящих в составное понятие "самоорганизующаяся система", является приставка "само-". Может создаться впечатление, что уж в данном конкретном случае всё предельно ясно. Но это далеко не так. Приставка "само-" может соответствовать очень разным свойствам систем. Система может самостоятельно функционировать, как при наличии локального, искусственно встроенного двигателя ("E+", Engine+), так и при отсутствии такого двигателя ("E-", Engine-). В случае "E+" в качестве двигателя может выступать сила человека, животного, акукумулятор, солнечные батареи и т.п. Например, в разработке Г. Хакеном теории синергетики сыграло значительную роль его многолетнее исследование лазеров. Лазер, который по мысли Г. Хакена является самоорганизующейся системой, не работает без энергетической накачки внешним искусственным источником энергии, следовательно ему присущ индекс "E+".
Самоорганизующаяся система может функционировать и в отсутствии внешнего или внутреннего локального источника энергии (E-) путём аккумулирования энергетических шумов из внешней среды или же из рассеянных, находящихся в гомогенном состоянии источников синтеза энергии, целенаправляя извлечённую и сконцентрированную энергию на поддержание присущих данной системе функций. В этом случае извлечение и концентрирование энергии осуществляется с помощью механизмов, входящих в ассортимент самоорганизующихся функций системы. Иными словами, самоорганизующаяся система может быть способна к самостоятельному снижению энтропии внесистемного окружения. Как это будет обсуждено мною ниже, этот процесс происходит путём интерактивного взаимодействия двух видов хаоса, свойственных любой природной самоорганизующейся системе.
Речь идёт о следствии из рассмотренной мною теоремы, согласно которой любая природная самоорганизующаяся система имеет доменное строение. Доказательства теоремы приведены мною в пятой главе этой книги с использованием компьютерной программы "MeaningFinder", имитирующей поведение самоорганизующихся систем. Доменное строение самоорганизующейся системы предполагает взаимодействие двух видов хаоса, что является функциональной основой таких систем. Это - взаимодействие хаоса порядка ("CO", Chaos of Order), характерного для внутридоменных структур, с хаосом беспорядка ("CD", Chaos of Disorder), характерного для распределения значительно отличающихся между собой доменов внутри системы. Именно таким образом функционируют все живые организмы. Малейшие изменения условий внешней среды с высоким уровнем энтропии оказывают прежде всего влияние на внутридоменные элементы, в результате чего меняются относительные размеры доменов и тем самым снижается энтропия системы.
Приставка "само-" в термине "самоорганизующаяся система" объединяет и два других альтернативных свойства. Она может означать, что система функционирует самостоятельно без центра управления ("M-", Management-), но может означать и то, что система самостоятельно функционирует с помощью центра управления объектом ("M+", Management+). Центр управления системой может иметь искусственное происхождение, т.е. быть созданным человеком ("S-", Spontaneous-), но может возникнуть спонтанно, самостоятельно, без вмешательства человека и функционировать самостоятельно ("S+", Spontaneous+). Таким образом, может быть четыре варианта сочетаний параметров M и S: 1)M-/S-; 2)M+/S-; 3)M-/S+ и 4)M+/S+. Рассмотрим два последних случая.
Сочетание M-/S+, когда система работает спонтанно в отсутствие центра управления, весьма распространено в самоорганизующихся системах природного происхождения, например, климат, экология. Что касается сочетания M+/S+, то в определенной степени оно характерно для живых организмов. Формально ДНК живых организмов можно назвать системой управления их ростом и развитием (онтогенезом), хотя более правильно было бы назвать ДНК матрицей развития, поскольку невероятно большое число процессов в живых организмах осуществляется на спонтанной основе, а старт этим процессам даёт совокупность белков, синтез которых кодируется ДНК. Но ДНК живых существ возникла на строго спонтанной основе. Если оставить в покое Бога с его неделей, которую он затратил на создание мира по схеме "All inclusive", то остаётся лишь одно понимание филогенеза: как самоорганизующегося эволюционного процесса, представленного в координате времени.
То, что нуклеиновые кислоты в качестве матрицы жизнедеятельности биологических особей проявляют признаки самоорганизации в филогенезе, демонстрируется хотя бы тем фактом, что в подавляющем числе случаев межвидовое скрещивание невозможно. Объяснение этого общеизвестного факта заключается в том, что ДНК работает как целостная система на организменном уровне, в которой функционально сумма генов меньше целой ДНК. Это справедливо и для прокариотных организмов, а тем более для эукариотических с их т.н. "мусорной ДНК". Т.е. эволюционировали гены, но строго в пределах целостной системы организма.
Понятно, что самоорганизующаяся система может быть условно описана в эвклидовом пространстве, но реально функционирует она в параметрическом пространстве, включающем характеристики тех свойства отдельных элементов, которые определяют межэлементное (межкомпонентное) взаимодействие внутри системы как за счёт притяжения, так и за счёт отталкивания. Формально такие взаимодействия могут быть оценены с помощью двух видов метрик: метрики "Shape" и метрики "Power". Две такие метрики были мною запатентованы (L. Andreev. High"dimensional data clustering with the use of hybrid similarity matrices. U.S. Patent 7,003,509 (2006)) исключительно для целей имитации процессов самоорганизации, поскольку применить их к описанию функционирования реальных природных самоорганизующихся систем не представляется возможным. Но имеется один параметр или одна характеристика самоорганизующейся системы, рассмотрение которой может быть весьма полезным. Эта характеристика - время.
Для характеристики моментального локального явления, происходящего в уникальном времени и месте, то есть для характеристики точки в пространстве внутрисистемного взаимодействия в каждый данный момент времени можно в соответствии с принятой в теории относительности практикой использовать термин "мировая точка". Множество мировых точек, описывающее внутрисистемное взаимодействие компонентов во времени в соответствии с этими же правилами принято называть "мировой линией". Мировая линия самоорганизующихся систем может иметь характер вектора ("V+", Vector+), а может представлять собой нечто, наподобие белого шума системы ("V-", Vector-). Вектор в данном случае представляет собой направленный отрезок прямой или отрезки прямой, отражающие внутрисистемное взаимодействие в некой специально математически подобранной координате времени.
В таком случае характеристика "V+/M+/S+" может быть свойственна только индивидуальным клеткам живых организмов или же биологическим сообществам клеток с их ростом, развитием и эволюцией. При этом мировая линия онтогенеза в этих специальных координатах времени может быть представлена в виде двух боковых сторон равностороннего треугольника, в то время как мировая линия филогенеза представляет собой уходящую в бесконечность линию, начинающуюся с момента формирования протоклетки. Восходящая линия онтогенеза соответствует микроприращению на линии филогенеза, в то время как нисходящая линия онтогенеза соответствует участку нулевого вектора на линии филогенеза. Нулевым называется вектор, начало которого совпадает с его концом. Это связано с тем, что после достижения экстремума онтогенетического треугольника репродуктивная функция у организмов падает и благоприобретённые признаки уже не наследуются. Таким образом, мировая линия филогенеза является суммой мировых микроотрезков восходящих линий онтогенеза.
Здесь речь не идёт о четырёхмерном пространстве Минковского, пространстве Бервальда - Мора или других абстрактных математических понятиях, изучавшихся математиками и философами на протяжении почти двух столетий как ради простого любопытства , так и ради возможностей, которые эти понятия потенциально способны открыть в математике и смежных областях. Вообще-то псевдоэвклидово четырёхмерное пространство нереализуемо в реальном мире, но оно является желанным чудом всех мировых религий, эзотерических учений, экстрасенсов и мистиков, поскольку представляет собой ни что иное, как терминологическую бонбоньерку, в которую можно поместить все виды чудес и найти объяснение всему необъяснимому.
Говоря о филогенезе как о самоорганизующейся эволюционной (временнОй) системе, я не имел намерений произвести псевдонаучное украшательство своего анализа понятия "самоорганизующаяся система". Моя цель состоит в том, чтобы применить разработанные мною и описанные в пятой главе этой книги методы компьютерной имитациии самоорганизующихся процессов к изучению самых различных аспектов биологии как в историческом плане, так и в реальном её настоящем.
Филогенез рассматривает изменение различных характеристик организмов во времени в предположении, что эти характеристики отражают историю изменения их биологии. В процессе эволюционного или революционного изменения биологических особенностей живых организмов происходит изменение их генетических, морфологических, анатомических, биохимических, экологических и т.п. характеристик при переходе от предков к потомкам. Подобный подход к изучению филогенеза основан на использовании редукционисткой методологии. Подспудная мысль, сопровождающая такой подход к изучению филогенеза, заключается в том, что в сумме изменения всех этих отдельных характеристик должны быть адекватным отражением биологии организмов в каждой из мировых точек развития, а следовательно и вдоль мировой линии развития. А подспудная мысль потому, что, будучи явно и ясно выраженной, она сводит смысл подобных филогенетических исследований к возможности редукции биологического феномена до суммы отдельных характеристик, что является явным нонсенсом.
Несмотря на высоконаучное сопровождение филогенетических исследований, несмотря на применение сложных компьютерных методов, по общему признанию специалистов анализ филогении всё ещё далёк от завершения. Обычно объясняется это тем, что из 9 миллионов предполагаемых видов живых организмов на Земле обнаружено и описано всего лишь около полутора миллионов. Но в реальности дело вовсе не в этом. Описание статических и функциональных частей живого организма никоим образом не может полностью и однозначно коррелировать с описанием его биологии. С этой мыслью не может не согласиться современный молекулярный биолог, однако использование такого подхода в качестве критерия значимости исследовательского процесса равносильно возможности лишить существенную долю огромной армии современных молекулярных биологов средств к существованию и затормозить, если не исключить возможности методического и методологического усовершенствования их профессиональных возможностей. И тем не менее, я позволю себе сделать кощунственное заявление о том, что молекулярная биология, биофизика и другие физико-химические отрасли, в название которых входит приставка "био-", хищно паразитируют на биологии в тех случаях, когда рассматриваются в качестве самодостаточных отраслей знания, а не в качестве вспомогательных дисциплин к организменным и надорганизменным уровням исследования.
В начале 60-х годов прошлого века, когда началось активное внедрение физико-химических методов в практику биологических исследований, в течение довольно продолжительного времени сохранялся крайне повышенный интерес и оптимизм по отношению к применению в систематике, соответственно, в исследовании филогении, метода т.н. нумерической или адансоновской таксономии. Для этой цели измерялись сотни и тысячи характеристик биологических организмов, все это перемешивалось в подсчётах степени сходства и эта степень наивно выдавалась за критерий биологического сходства. В подобных исследования фигурировали даже продукты сжигания растений и микробов, и на этих продуктах сжигания пытались строить филогенетические отношения.
При этом научные работники биологического профиля выглядели намного большими химиками и физиками, чем сами химики и физики. Сегодня ситуация в области молекулярной биологии смотрится намного более солидной, хотя с точки зрения понимания принципов организации и функционирования биологических процессов ситуация поменялась мало. Эмоциональным и финансово-материальным наполнением сегодняшней биологической науки являектся перманентное ожидание чудес, и чудеса практического редукционизма направлены при этом, главным образом, на углубление веры в безграничные возможности редукционизма, которые становятся всё более ограниченными функционально на уровне целостных систем.
Таким образом, "само-" (или самостоятельность) в качестве второй компоненты сложного термина "самоорганизующаяся система" оказывается не менее противоречивой, чем "система". Её характеризуют четыре пары альтернативных признаков - "E, M, S, V". Остаётся рассмотреть третью компоненту термина - "организацию".
(Окончание следует)
Что такое жизнь и как она возникла?
То обстоятельство, что термин "самоорганизующаяся система" совместим лишь с половиной из пяти значимых пар альтернативных признаков, характеризующих понятие "система", разумеется, определяется на основе однозначного представления о природе самоорганизации, которое я изложу после детального обсуждения всех трёх составляющих этого термина. Если такое чёткое представление отсутствует, то наличие многообразия объектов, формально описываемых одним и тем же термином "самоорганизующаяся система", может быть источником ложных представлений о природе вещей. Достаточно обнаружить любой из признаков системы, обозначенных выше, как S, M, I, A и Op, чтобы сделать заключение о том, что в таком случае о самоорганизующейся системе естественного происхождения не может идти и речи. Таким образом, можно сказать, что первая часть операции по покомпонентному разложению и изучению сложного термина оказалась результативной.
Вторым компонентом из трёх, входящих в составное понятие "самоорганизующаяся система", является приставка "само-". Может создаться впечатление, что уж в данном конкретном случае всё предельно ясно. Но это далеко не так. Приставка "само-" может соответствовать очень разным свойствам систем. Система может самостоятельно функционировать, как при наличии локального, искусственно встроенного двигателя ("E+", Engine+), так и при отсутствии такого двигателя ("E-", Engine-). В случае "E+" в качестве двигателя может выступать сила человека, животного, акукумулятор, солнечные батареи и т.п. Например, в разработке Г. Хакеном теории синергетики сыграло значительную роль его многолетнее исследование лазеров. Лазер, который по мысли Г. Хакена является самоорганизующейся системой, не работает без энергетической накачки внешним искусственным источником энергии, следовательно ему присущ индекс "E+".
Самоорганизующаяся система может функционировать и в отсутствии внешнего или внутреннего локального источника энергии (E-) путём аккумулирования энергетических шумов из внешней среды или же из рассеянных, находящихся в гомогенном состоянии источников синтеза энергии, целенаправляя извлечённую и сконцентрированную энергию на поддержание присущих данной системе функций. В этом случае извлечение и концентрирование энергии осуществляется с помощью механизмов, входящих в ассортимент самоорганизующихся функций системы. Иными словами, самоорганизующаяся система может быть способна к самостоятельному снижению энтропии внесистемного окружения. Как это будет обсуждено мною ниже, этот процесс происходит путём интерактивного взаимодействия двух видов хаоса, свойственных любой природной самоорганизующейся системе.
Речь идёт о следствии из рассмотренной мною теоремы, согласно которой любая природная самоорганизующаяся система имеет доменное строение. Доказательства теоремы приведены мною в пятой главе этой книги с использованием компьютерной программы "MeaningFinder", имитирующей поведение самоорганизующихся систем. Доменное строение самоорганизующейся системы предполагает взаимодействие двух видов хаоса, что является функциональной основой таких систем. Это - взаимодействие хаоса порядка ("CO", Chaos of Order), характерного для внутридоменных структур, с хаосом беспорядка ("CD", Chaos of Disorder), характерного для распределения значительно отличающихся между собой доменов внутри системы. Именно таким образом функционируют все живые организмы. Малейшие изменения условий внешней среды с высоким уровнем энтропии оказывают прежде всего влияние на внутридоменные элементы, в результате чего меняются относительные размеры доменов и тем самым снижается энтропия системы.
Приставка "само-" в термине "самоорганизующаяся система" объединяет и два других альтернативных свойства. Она может означать, что система функционирует самостоятельно без центра управления ("M-", Management-), но может означать и то, что система самостоятельно функционирует с помощью центра управления объектом ("M+", Management+). Центр управления системой может иметь искусственное происхождение, т.е. быть созданным человеком ("S-", Spontaneous-), но может возникнуть спонтанно, самостоятельно, без вмешательства человека и функционировать самостоятельно ("S+", Spontaneous+). Таким образом, может быть четыре варианта сочетаний параметров M и S: 1)M-/S-; 2)M+/S-; 3)M-/S+ и 4)M+/S+. Рассмотрим два последних случая.
Сочетание M-/S+, когда система работает спонтанно в отсутствие центра управления, весьма распространено в самоорганизующихся системах природного происхождения, например, климат, экология. Что касается сочетания M+/S+, то в определенной степени оно характерно для живых организмов. Формально ДНК живых организмов можно назвать системой управления их ростом и развитием (онтогенезом), хотя более правильно было бы назвать ДНК матрицей развития, поскольку невероятно большое число процессов в живых организмах осуществляется на спонтанной основе, а старт этим процессам даёт совокупность белков, синтез которых кодируется ДНК. Но ДНК живых существ возникла на строго спонтанной основе. Если оставить в покое Бога с его неделей, которую он затратил на создание мира по схеме "All inclusive", то остаётся лишь одно понимание филогенеза: как самоорганизующегося эволюционного процесса, представленного в координате времени.
То, что нуклеиновые кислоты в качестве матрицы жизнедеятельности биологических особей проявляют признаки самоорганизации в филогенезе, демонстрируется хотя бы тем фактом, что в подавляющем числе случаев межвидовое скрещивание невозможно. Объяснение этого общеизвестного факта заключается в том, что ДНК работает как целостная система на организменном уровне, в которой функционально сумма генов меньше целой ДНК. Это справедливо и для прокариотных организмов, а тем более для эукариотических с их т.н. "мусорной ДНК". Т.е. эволюционировали гены, но строго в пределах целостной системы организма.
Понятно, что самоорганизующаяся система может быть условно описана в эвклидовом пространстве, но реально функционирует она в параметрическом пространстве, включающем характеристики тех свойства отдельных элементов, которые определяют межэлементное (межкомпонентное) взаимодействие внутри системы как за счёт притяжения, так и за счёт отталкивания. Формально такие взаимодействия могут быть оценены с помощью двух видов метрик: метрики "Shape" и метрики "Power". Две такие метрики были мною запатентованы (L. Andreev. High"dimensional data clustering with the use of hybrid similarity matrices. U.S. Patent 7,003,509 (2006)) исключительно для целей имитации процессов самоорганизации, поскольку применить их к описанию функционирования реальных природных самоорганизующихся систем не представляется возможным. Но имеется один параметр или одна характеристика самоорганизующейся системы, рассмотрение которой может быть весьма полезным. Эта характеристика - время.
Для характеристики моментального локального явления, происходящего в уникальном времени и месте, то есть для характеристики точки в пространстве внутрисистемного взаимодействия в каждый данный момент времени можно в соответствии с принятой в теории относительности практикой использовать термин "мировая точка". Множество мировых точек, описывающее внутрисистемное взаимодействие компонентов во времени в соответствии с этими же правилами принято называть "мировой линией". Мировая линия самоорганизующихся систем может иметь характер вектора ("V+", Vector+), а может представлять собой нечто, наподобие белого шума системы ("V-", Vector-). Вектор в данном случае представляет собой направленный отрезок прямой или отрезки прямой, отражающие внутрисистемное взаимодействие в некой специально математически подобранной координате времени.
В таком случае характеристика "V+/M+/S+" может быть свойственна только индивидуальным клеткам живых организмов или же биологическим сообществам клеток с их ростом, развитием и эволюцией. При этом мировая линия онтогенеза в этих специальных координатах времени может быть представлена в виде двух боковых сторон равностороннего треугольника, в то время как мировая линия филогенеза представляет собой уходящую в бесконечность линию, начинающуюся с момента формирования протоклетки. Восходящая линия онтогенеза соответствует микроприращению на линии филогенеза, в то время как нисходящая линия онтогенеза соответствует участку нулевого вектора на линии филогенеза. Нулевым называется вектор, начало которого совпадает с его концом. Это связано с тем, что после достижения экстремума онтогенетического треугольника репродуктивная функция у организмов падает и благоприобретённые признаки уже не наследуются. Таким образом, мировая линия филогенеза является суммой мировых микроотрезков восходящих линий онтогенеза.
Здесь речь не идёт о четырёхмерном пространстве Минковского, пространстве Бервальда - Мора или других абстрактных математических понятиях, изучавшихся математиками и философами на протяжении почти двух столетий как ради простого любопытства , так и ради возможностей, которые эти понятия потенциально способны открыть в математике и смежных областях. Вообще-то псевдоэвклидово четырёхмерное пространство нереализуемо в реальном мире, но оно является желанным чудом всех мировых религий, эзотерических учений, экстрасенсов и мистиков, поскольку представляет собой ни что иное, как терминологическую бонбоньерку, в которую можно поместить все виды чудес и найти объяснение всему необъяснимому.
Говоря о филогенезе как о самоорганизующейся эволюционной (временнОй) системе, я не имел намерений произвести псевдонаучное украшательство своего анализа понятия "самоорганизующаяся система". Моя цель состоит в том, чтобы применить разработанные мною и описанные в пятой главе этой книги методы компьютерной имитациии самоорганизующихся процессов к изучению самых различных аспектов биологии как в историческом плане, так и в реальном её настоящем.
Филогенез рассматривает изменение различных характеристик организмов во времени в предположении, что эти характеристики отражают историю изменения их биологии. В процессе эволюционного или революционного изменения биологических особенностей живых организмов происходит изменение их генетических, морфологических, анатомических, биохимических, экологических и т.п. характеристик при переходе от предков к потомкам. Подобный подход к изучению филогенеза основан на использовании редукционисткой методологии. Подспудная мысль, сопровождающая такой подход к изучению филогенеза, заключается в том, что в сумме изменения всех этих отдельных характеристик должны быть адекватным отражением биологии организмов в каждой из мировых точек развития, а следовательно и вдоль мировой линии развития. А подспудная мысль потому, что, будучи явно и ясно выраженной, она сводит смысл подобных филогенетических исследований к возможности редукции биологического феномена до суммы отдельных характеристик, что является явным нонсенсом.
Несмотря на высоконаучное сопровождение филогенетических исследований, несмотря на применение сложных компьютерных методов, по общему признанию специалистов анализ филогении всё ещё далёк от завершения. Обычно объясняется это тем, что из 9 миллионов предполагаемых видов живых организмов на Земле обнаружено и описано всего лишь около полутора миллионов. Но в реальности дело вовсе не в этом. Описание статических и функциональных частей живого организма никоим образом не может полностью и однозначно коррелировать с описанием его биологии. С этой мыслью не может не согласиться современный молекулярный биолог, однако использование такого подхода в качестве критерия значимости исследовательского процесса равносильно возможности лишить существенную долю огромной армии современных молекулярных биологов средств к существованию и затормозить, если не исключить возможности методического и методологического усовершенствования их профессиональных возможностей. И тем не менее, я позволю себе сделать кощунственное заявление о том, что молекулярная биология, биофизика и другие физико-химические отрасли, в название которых входит приставка "био-", хищно паразитируют на биологии в тех случаях, когда рассматриваются в качестве самодостаточных отраслей знания, а не в качестве вспомогательных дисциплин к организменным и надорганизменным уровням исследования.
В начале 60-х годов прошлого века, когда началось активное внедрение физико-химических методов в практику биологических исследований, в течение довольно продолжительного времени сохранялся крайне повышенный интерес и оптимизм по отношению к применению в систематике, соответственно, в исследовании филогении, метода т.н. нумерической или адансоновской таксономии. Для этой цели измерялись сотни и тысячи характеристик биологических организмов, все это перемешивалось в подсчётах степени сходства и эта степень наивно выдавалась за критерий биологического сходства. В подобных исследования фигурировали даже продукты сжигания растений и микробов, и на этих продуктах сжигания пытались строить филогенетические отношения.
При этом научные работники биологического профиля выглядели намного большими химиками и физиками, чем сами химики и физики. Сегодня ситуация в области молекулярной биологии смотрится намного более солидной, хотя с точки зрения понимания принципов организации и функционирования биологических процессов ситуация поменялась мало. Эмоциональным и финансово-материальным наполнением сегодняшней биологической науки являектся перманентное ожидание чудес, и чудеса практического редукционизма направлены при этом, главным образом, на углубление веры в безграничные возможности редукционизма, которые становятся всё более ограниченными функционально на уровне целостных систем.
Таким образом, "само-" (или самостоятельность) в качестве второй компоненты сложного термина "самоорганизующаяся система" оказывается не менее противоречивой, чем "система". Её характеризуют четыре пары альтернативных признаков - "E, M, S, V". Остаётся рассмотреть третью компоненту термина - "организацию".
(Окончание следует)