Из статьи «Развитие и современное состояние представлений о биологических усилителях».

Биологическое усиление слабых сигналов рассматривается, как фундаментальное свойство живых существ, тесно связанное с «принципом устойчивого неравновесия» Э. Бауэра. Наличие избытка свободной энергии в клеточных структурах позволяет усиливать принципиально индетерминированные  результаты   коллапса    волновых   функций    компонент живой клетки. Этот феномен на макроуровне    проявляется,    как «свободная   воля» живых существ.

Биологическое усиление — способность живых существ воспринимать и использовать в качестве сигналов, крайне слабые воздействия (химические, акустические или электромагнитные) — является фундаментальным фактом, тесно связанным с природой качественной специфики живого в отличие от неживого. Вопрос о том, в какой мере представления и модели современной физики способны описать эту специфику, был в течение всего ХХ века предметом серьёзных размышлений и острых дискуссий физиков и философов. Попытка защититься от Сциллы «физического редукционизма» и одновременно спастись от Харибды «витализма» с помощью «системного подхода», весьма популярного в 60-х и 70-х годах, скорее увела от проблемы, чем позволила проникнуть в её существо. Конечно, можно сказать, что жизнь «не сводима» к поведению атомно-молекулярных структур, как смысл текста — к расположению частиц краски на бумаге или форме звуковых колебаний, а «виртуальный мир» на экране компьютера — к процессам преобразования импульсов, являющихся символами нулей и единиц, в процессоре компьютера. Справедливо будет и представление о «специфических уровнях организации систем», для каждого из которых нужно создавать свои научные подходы, определять базовые понятия и отыскивать характерные закономерности (например, для изучения биологических объектов необходимая система уровней включает микрочастицы, атомы, молекулы, клетки, ткани, организмы, популяции и биосфера в целом). Но если бы проблема состояла только в этом, вряд ли она смогла бы волновать таких гениальных физиков, как В. Гейзенберг, В. Паули, Е. Вигнер и Н. Бор.

Нильс Бор неоднократно подчёркивал, что живым организмам, как и квантовым объектам, присуще качество ЦЕЛОСТНОСТИ, исчезающее при вмешательстве наблюдателя в ход жизненного процесса. С этой точки зрения, наблюдатель в биологии — хирург, гистолог, цитолог, «молекулярный биолог», — расчленяя живое на интересующие его элементы, имеет далее дело уже только с этими элементами, теряя в рамках данного подхода другие свойства объекта. Это, конечно, не умаляет ценности аналитического подхода для познания мира и создания основы для теоретических и практических приложений, но заставляет относиться к его возможностям более ответственно. Сказанное касается и оценки возможностей современной физики, опирающейся на идею о том, что большую часть феноменологически наблюдаемых и измеряемых свойств объектов можно понять, исходя из представления о мире как системе частиц и полей, подчиняющихся фундаментальным законам взаимодействия.

Эта, базовая для физики, картина мира, опирающаяся на представление о «материальных точках» и силах притяжения между ними, вошла в золотой фонд науки постепенно. Первым шагом был впечатляющий успех теории Ньютона, взявшего в качестве «точек» планеты, в астрономии. Следующим шагом стала философская конструкция Лейбница, чьи представления о мире как системе автономных точек — «монад» дали основу для нового типа мировоззрения. В следующем, XVIII веке, возможность рассматривать весь видимый мир как систему точек (не имеющих протяженности!), из которых возникают сложные структуры благодаря уравновешиванию сил притяжения и отталкивания, была полностью осознана замечательным мыслителем Р. И. Бошковичем (1711–1787).

XIX-му веку оставалось лишь соединить эту идею с универсальным формализмом Лагранжа и Гамильтона, чем пробавляется в основном теоретическая физика и поныне. Физическая картина мира, как системы точек, кажущаяся сознанию гуманитария, с одной стороны, крайне примитивной, а с другой — почти кощунственной, приобрела огромный авторитет в XX веке. Она позволяет качественно, а в ряде случаев и с фантастической количественной точностью, описывать огромный диапазон явлений, начиная от космологии и кончая явлениями внутри атомов, ядер, и даже составляющих ядро частиц. Атомы, о которых думали ещё Демокрит и Эпикур, но в реальном существовании которых сомневались в конце XIX века Освальд и Менделеев, оказались вскоре прямым объектом экспериментального исследования. Когда за дело взялся Резерфорд, репутация атома, как «неделимой частицы», оказалась подорванной — оказалось что он имеет определённые (хотя и несколько размытые) размеры и состоит из ядра и электронов. Электроны уже вполне соответствуют идеям Бошковича — согласно современным представлениям они не имеют размеров, являясь истинными силовыми центрами (что, кстати, делает вполне бессмысленными разговоры о мифических «микролептонах» и подобных им псевдочастицам). Ядра, в свою очередь, также оказались делимыми, как и составляющие их протоны и нейтроны, но при переходе к уровню кварков условие Бошковича вновь удовлетворяется. Приход квантовой механики не изменил главного принципа модели мира, построенного из не имеющих размеров частиц, «монад», но добавил к нему крайне важную вещь: монады оказались наделёнными «внутренней свободой выбора» из множества возможных состояний, определяемых волновой функцией. Призрак абсолютного детерминизма исчез из физической картины мира. Оказалось, что «квантовые монады» имеют специфические возможности «двигаться по множеству траекторий одновременно», «двигаться по времени в обе стороны», «просачиваться сквозь барьеры», «размазываться по пространству». Именно эти возможности и определяют устойчивость и размеры атомов и ядер. Крайне важна для нашей темы способность квантовой частицы, абсолютно независимо от внешних влияний и условий, осуществлять «выбор» определённого значения того или иного параметра из множества, заданного волновой функцией. Это принципиально индетерминированное явление, физики называют «коллапсом волновой функции».

Подробное профессиональное обсуждение попыток объяснения коллапса в квантовой механике и связи его с проблемой «свободы воли» можно найти в работе Б. Б. Кадомцева. Он, в частности, пишет: «...свобода воли является имманентным, т. е. внутренне присущим свойством всего мира. Только на основе этого исходного положения можно уйти от бессмысленного, полностью детерминированного механистического мира к миру живому и развивающемуся».

В макромире мы имеем дело с телами, появившимися в результате того, что атомы, соединяясь друг с другом в соответствии со свойствами своих «электронных облаков», порождают молекулы и надмолекулярные структуры, в том числе и такие «шедевры по линии Господней квантовой механики» (Шредингер), как белки, нуклеиновые кислоты и восхитительные молекулярно-архитектурные комплексы мембран и органелл живых клеток. По мере возрастания массы, эти комплексы всё более теряют свою «квантовую свободу» — принцип неопределённости позволяет частицам с большой массой иметь одновременно хорошо определённые импульс и координату, что приводит к появлению траекторий и классических уравнений движения. Нильс Бор подчёркивал, что именно благодаря этому мы можем строить физику, что есть стрелки приборов, дающих в результате измерения. Начиная с масс порядка сотни атомных единиц волновые свойства становятся практически не существенными, и с соответствующими «частицами» можно работать, как с вполне классическими объектами (самой крупной частицей, для которой удалось экспериментально установить наличие волновых свойств, является в наше время молекула фуллерена — C70.) Это даёт основания для представлений о белках и надмолекулярных комплексах клетки как о «молекулярных машинах». Живые клетки, таким образом, существуют на самой грани микромира и макромира, являясь связующим звеном между ними.

Ясное понимание тех пределов, в которых можно с полной ответственностью применять механические представления о компонентах клетки, вплоть до представлений о ферментах как «молекулярных машинах», крайне важно. Оно не позволяет мысли рассеяться в туманных гипотезах и представлениях, и определяет уровень, на котором сама природа делает невозможным применение моделей типа точки, движущейся по траектории. Точное знание этих пределов является практически важным для бурно развивающихся в наши дни «нанотехнологий». Изобретение  сканирующих   туннельных    атомно-силовых    микроскопов    в 80-х годах и поточное   изготовление     начиная     с 1990 года «кантилеверов» (тончайших пружинок с иглой, позволяющих не только определять координаты и создавать   изображения структур   атомного размера, но и   манипулировать ими   в пространстве) открывает перед технологиями XXI века фантастические возможности.

С другой стороны, определение этого уровня даёт физический ориентир для подхода к пониманию связи «свободной воли» живых существ с принципиальной неопределимостью «результата выбора» в процессе коллапса волновой функции. Идея о том, что квантовые свойства микрочастиц каким-то образом связаны со свободой воли человека, в общем виде была осознана в начале 30-х годов, после «Копенгагенского прорыва».

Фраза Дирака «Электрон   летит, куда хочет — у  него   свободная воля», и близкие по смыслу высказывания   Гейзенберга, Бора, Шредингера того же рода вызывали бурное неприятие советских    философов-марксистов. В    стандартный список представителей «физического идеализма» обычно включались и такие физики, как А. Эддингтон и П. Иордан. С именем последнего ассоциируются первые попытки связать «свободную волю» человека с усилением «квантового  выбора» в    каком-то из   элементов нервной системы. Возможно, увлечённость П. Иордана проблемой происхождения и значения «воли» в мире, связанная с интересом к философии Шопенгауэра и Ницше, лежала в основе его идей. П. Иордан впервые чётко высказал мысль о том, что  живое    «характеризуется    тем, что    отсутствие   причинности (акаузальность) в    протекании  отдельных    атомных    реакций    усиливается   до макроскопически   действенной акаузальности». Таким образом была сделана попытка подойти к одному и «проклятых вопросов философии» — проблеме «свободы воли» — с позиций физики, опираясь на её фундаментальные представления.

Эта проблема, конечно, не могла не волновать физиков. Задолго до создания квантовой механики о ней размышлял отец поэта Андрея Белого, вице-президент Русского математического общества Н. В. Бугаев, физики У. Томсон, Н. А. Умов, а также биологи, обвиняемые философами-марксистами в «витализме» («родоначальник витализма» эмбриолог Г. Дриш, основоположник сравнительной физиологии беспозвоночных Я. Икскюль, зоолог и генетик Л. Кено, основатель первого Института Биофизики П. Леконт дю Нюи, физиолог Р. Лилли, ботаник и генетик Э. Синнот, биофизик и эмбриолог А. Г. Гурвич и множество других не менее замечательных учёных). Развитие на базе представлений молекулярной биологии понимания конструкции основных макромолекул, субклеточных структур, мембран и систем рецепторных белков открывает перед исследователями XXI века совершенно новые возможности изучения этой великой проблемы.

Считается, что «молекулярная революция» в биологии началась в 1953 г. с открытием двойной спирали Уотсоном и Криком. На самом деле она началась одновременно с победой атомистического мировоззрения в физике. Формально можно считать её стартом доклад А. А. Колли 1.1.1893 года, а первым «молекулярным биологом» — Н. К. Кольцова, высказавшего в своих работах идею о том, что носителями наследственности могут быть макромолекулы, способные создавать чисто химическим путём свои молекулярные копии. Его талантливый ученик Н. В. Тимофеев-Ресовский «оказал особенно существенное влияние на мировоззрение тогда ещё молодых физиков, обратившихся к теоретической биологии». Среди них особое место занимает М. Дельбрюк. Его исследования и сообщения дали материал для размышлений Э. Шредингера, яркая книга которого стала магнитом, притянувшим внимание молодого поколения физиков к проблемам биологии. Классическая  совместная    статья Н. В. Тимофеева-Ресовского и    М. Дельбрюка    содержит идею    одного из важнейших принципов теоретической биологии — идею   «конвариантной    редупликации    дискретно    составленного  кода наследственной информации».

Выполнив серию блестящих работ на фагах, увенчанных Нобелевской премией 1969 года, Дельбрюк направил усилия в область, где он надеялся обнаружить новые физические принципы, необходимые для построения «физиологии преобразователей»: «В недрах физиологии органов чувств в широком смысле слова таится, правда, в ещё совершенно зачаточном состоянии, важнейшая наука — физиология преобразователей, наука о превращении сигнала, поступающего извне, в первый „интересный“ выходной сигнал». Избранный им объект — спорангиеносец гриба Phycomyces «обладает исключительной чувствительностью к свету, к действию силы тяжести, к растяжению и к некоему раздражителю, который мы считаем обонятельным». Однако на этом участке фронта прорыва в область «новой физики» не произошло.

Первое понимание молекулярной природы биологического усиления пришло вместе с детальным изучением специализированных «молекулярных конструкций» — рецепторных комплексов мембран  чувствительных   клеток — фото, хемо-, термо- и механорецепторов. Этим вопросам посвящены  сегодня тысячи статей, десятки   конференций и   специальные журналы. В общем картина  событий, происходящих   после   основного   акта, имеющего   квантовую природу — например, поглощения   фотона   молекулой    родопсина, приводящего к конформационному изменению (переходу в   активированную    форму) — выглядит так: «активированная форма (метародопсин MRh1) взаимодействует с G-белком и активирует его. G-белок активирует фосфоли-пазу С (PLC), PLC катализирует расщепление фосфатидилинозитол бифос-фата (PTP2) на два внутриклеточных мессенджера — инозитолтрифосфат (IP3) и диацилглицерол (DAG). IP3 вызывает  увеличение   внутриклеточного    кальция Ca2+, что в конечном итоге приводит к   открытию (модуляции) мембранных    каналов и возникновению   рецепторного потенциала. После завершения светового стимула включается серия также Ca2+-зависимых регуляторных процессов, ведущих к подавлению светового ответа».

Коэффициент усиления в этом процессе нетрудно оценить. При величине генераторного потенциала (изменения  потенциала   мембраны) 10 Мв, величине потенциала покоя 100 Мв изменение  энергии   мембраны    составляет 105 Эв, а энергия исходного кванта имеет порядок 1 Эв. Таким образом, уже на уровне рецепторной  клетки  клетки   усиление достигает 105. То, что глаз способен   реагировать уже   на одиночные фотоны, было чётко доказано ещё в хрестоматийных опытах С. И. Вавилова.

К сожалению, остаются до сих пор практически не исследованными механизмы «митогенетических  лучей» Гурвича и «зеркального   цитопатического   эффекта» Казначеева, Шурина и Михайловой, где   также идёт речь о   сигнальной   роли отдельных фотонов в   жизнедеятельности    клетки. Вокруг   этих феноменов велись одно время достаточно жаркие дискуссии, но это не уменьшает интереса к ним. Стоит привести мнение о «митогенетических лучах» Н. В. Тимофеева-Ресовского: «Я считаю, что в этих митогенетических лучах Гурвич чёртову прорву напутал и путного там не много. Но как он подошел к этому — всё это очень интересно, логично, красиво».

Другим типом биологического усиления, не связанным с механизмами белков-рецепторов, вспомогательных мессенджеров и цепных реакций в мембранах, являются процессы, связанные с частотной избирательностью клеток по принципу резонанса или нелинейного затягивания ритма внешних воздействий. Эффект резкого понижения порога возбуждения одиночной нервной клетки был чётко продемонстрирован нами в экспериментах на одиночной нервной клетке — механорецепторе речного рака.

Экспериментальным изучением эффектов биологического усиления слабых электромагнитных полей в низкочастотной области занимались Р. Эйди, Ю. А. Холодов и др. Большое число исследований и ряд специальных конференций связан с «резонансными» эффектами в области миллиметровых волн, начало изучения которых связано с группой Н. И. Девяткова в НИИ «Исток» и ИРЭ АН СССР. На базе этих работ возникло новое направление в медицине — КВЧ-терапия. Теории соответствующих процессов до сих пор нет, хотя существуют попытки привлечь для их объяснения представления о когерентных возбуждениях в биологических системах. Представления о роли нелинейных колебаний в биологии составляют сегодня важную главу биофизики.

Подойдём к проблеме биологического усиления с общесистемной точки зрения, оставляя в области специальных исследований изучение конкретных деталей устройства усилителей. Сразу же выявляется очень важный  с   точки зрения   теоретической  биологии  момент: биологическое   усиление    связано с  главным   свойством живых систем — «принципом устойчивого   неравновесия» Э. Бауэра, согласно которому «все и только живые системы никогда не находятся в равновесии и исполняют за счёт своей свободной энергии работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях». Это положение, по нашему убеждению, является основным принципом теоретической биологии, без которого  два   других   фундаментальных   положения — эволюционная   концепция и принцип комплиментарной   редупликации    наследственного   кода не в   состоянии описать специфику живого   состояния (хотя в большинстве учебников и   написано обратное).

Сам Бауэр был уверен, что из принципа устойчивого неравновесия можно вывести как следствия способность живой материи    размножаться, реагировать   на внешние сигналы (раздражимость) и усовершенствовать  свои структуры в процессе эволюции. С нашей точки зрения особенно важно   подчеркнуть, что этот   принцип является и главной предпосылкой возможности реализовать   индетерминированный   результат «выбора» на микроуровне в макроскопическую поведенческую реакцию, т. е., в отличие от тел неживой природы, реагировать «активно», с участием «свободной воли» уже на клеточном уровне. Одним из базовых положений квантовой механики является представление о том, что процессы микромира могут стать доступными макроскопическому наблюдателю именно благодаря тому, что между микрообъектом и наблюдателем ставится в качестве посредствующего звена УСИЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, обладающая избытком свободной энергии.

В физике роль таких систем играют пересыщенный пар в камере Вильсона, избыток химической энергии в системе фотоэмульсия-проявитель или электрическое поле в фотоумножителе. В биологических же системах в любой живой мембране  избыток  энергии наличествует в виде электрического   поля, напряженность   которого   поддерживается  насосами, перекачивающими ионы   Na+ и К+, пока   клетка    жива, а также   химическим  соединениями, главным из которых является   АТФ. Важно то, что с   помощью   молекулярных   механизмов эффект, начало которого связано с индетерминированным актом в микромире, посредством  усиления превращается в   макроскопическую реакцию — поведение   живого  организма, основанное, даже в случае поведения   отдельных   клеток, на   некотором   «выборе решения». То, что изолированная нервная  клетка, поставленная в   условия, когда она может   влиять своим поведением на окружающую  её   искусственную   «внешнюю  среду», нам удалось показать в прямых экспериментах. Более того, оказалось, что нейрон, не имеющий синапсов, способен в этих условиях оптимизировать свое поведение при повторных предъявлениях «задачи поиска» и запоминать тактику выхода на оптимальный режим. Эти свойства нейронов совершенно не учитываются в современных нейрокомпьютерах, и можно надеяться, что их учёт приблизит нас к пониманию действительных принципов организации мозга и пониманию природы сознания.

Библиография

Бауэр Э. С. Теоретическая биология. Л., 1935.

Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. М., 1949.

Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М., 1961.

Бугаев Н. В. О свободе воли. М., 1869.

Гейзенберг В. Физические принципы квантовой теории. М.; Л., 1932.

Дельбрюк М. Обновлённый взгляд физика на биологию//УФН. 1971. Т. 105.

Коган А. Б., Наумов О. П., Режабек Б. Г. Чораян О. Г. Биологическая кибернетика. М., 1972.

Поппер К. Р. Квантовая механика и раскол в физике. М., 1998.

Режабек Б. Г. О поведении механорецепторного нейрона в условиях замыкания его искусственной обратной связью//Доклады АН СССР. М., 1970.

Режабек Б. Г. Самонастройка в одиночной нервной клетке, как модель возможного поведения элемента самоорганизующихся нейронных ансамблей: Автореф. дис. канд. биол. наук. Ростов на Дону, 1970.

Режабек Б. Г. Устойчивое неравновесие — основа избирательной чувствительности организма/Электромагнитные поля в биосфере. М., 1985. Т.2.

Режабек Б. Г. Развитие и современное состояние представлений о биологических усилителях/II-й Международный Конгресс «Слабые поля и взаимодействия в биологических системах». СПб., 1999.

Тимофеев-Ресовский Н. В. Воспоминания. М., 1995.

Томсон В. О власти одушевлённых существ над материей//Второе начало термодинамики. М.; Л., 1934.

Умов Н. А. Эволюция мировоззрений в связи с учением Дарвина//Штерне К. Эволюция мира. М., 1908.

Тема № 127

Эфир 27.08.2002

Хронометраж 52:00
http://gordon0030.narod.ru/archive/8178/index.html