http://lechebnaya-glina.ru » Материя организма

Формальное использование представлений термодинамики и теории информации

Автор: lenka   Май 7, 2015 Нет комментариев

Термодинамические представления пришли в молекулярную биологию из химии, где равновесная термодинамика является одним из основных теоретических принципов, используемых для описания хода химических реакций. Как известно, второе начало термодинамики можно рассматривать как процесс эволюции для изолированной физической системы. Именно так его позиционировал Л. Больцман, потрясённый стройностью и глобальностью теории эволюции живых организмов Ч. Дарвина. Однако в отличие от живых организмов, эволюционирующих к усложнению, т. е. к возрастанию упорядоченности, изолированная физическая система самопроизвольно и необратимо эволюционирует к состоянию равновесия, которому отвечает максимальная неупорядоченность. Количественной мерой неупорядоченности системы, по определению Л. Больцмана, является энтропия S = k∙ln Г, где k — постоянная Больцмана, а Г — число способов реализации системы. При эволюции изолированной физической системы её энтропия возрастает до своего максимума, после чего дальнейшие изменения в системе невозможны.
Но очевидным и никем не опровергаемым фактом является то, что биологическая эволюция шла в обратном направлении, а именно в сторону возрастания упорядоченности материи, поскольку она развивалась от простых форм материи к более сложным. Упорядочение материи, происходившее по мере её усложнения от неживого к живому, в соответствии с термодинамическими представлениями должно вести к понижению общей энтропии системы, в то время как любые энергетические процессы, в соответствии со вторым законом термодинамики, протекают с её повышением.
Противоречие между вторым законом термодинамики и самим фактом существования жизни стало считаться устранённым, после того как было сформулировано термодинамическое представление об открытых системах, т. е. системах, обменивающихся с окружающей макросредой веществом и энергией. Эта термодинамика получила название неравновесной и её развитие тесно связано с именами Л. Онзагера и И. Пригожина, работы которого были напрямую ориентированы на живые системы [89, 90]. У Пригожина жизнь, живые системы рассматриваются как открытые системы внутри макросреды, с которой они могут обмениваться и веществом, и энтропией. В этом случае безусловное выполнение закона S 0 относится к макросистеме в целом. В самой же открытой (живой) системе может происходить непропорционально малое с точки зрения термодинамики нарастание энтропии, что и позволило назвать живые системы низкоэнтропийными. Тем не менее, все слагаемые Si общей энтропии S = Si открытой системы всегда должны быть больше нуля, и это особо подчеркивал И. Пригожин. Чтобы описать аномальное с точки зрения второго начала термодинамики поведение живых систем, И. Пригожин [91] предложил рассматривать изменение энтропии в открытых системах, как сумму двух слагаемых dS = deS + diS, где deS — изменение энтропии, связанное с обменом между открытой системой и внешней средой, а diS — производство энтропии внутри открытой системы. Но физический механизм сопряжённых процессов в неравновесной термодинамике не был рассмотрен, что лишает основанную на нём теорию какойлибо «предсказательной силы». Тем не менее, научный авторитет, широкая известность работ И. Пригожина и его школы и их направленность непосредственно на живые системы привели к длительному, продолжающемуся в молекулярной биологии и в настоящее время, увлечению термодинамическими представлениями, и на этих представлениях строились и продолжают строиться многочисленные термодинамические «теории жизни».18

Рассмотрение фундаментальных основ термодинамики свидетельствует, что термодинамические представления могут быть основой только для феноменологической теории живых систем, т. е. такой теории, которая рассматривает лишь наиболее общие закономерности живого, его тенденции, но не их детальную природу. Термодинамическая теория — это рассмотрение того, что может быть, но никак не того, что есть, и тем более не того — как оно функционирует. Использовать такую теорию для создания физического механизма жизни бесполезно: в этом вопросе она бессильна, хоть и проникла глубоко в биологию живых систем. В силу своей статистической природы понятие «энтропия» пригодно для характеристики тенденций и хода уже состоявшегося процесса, но не годится для построения физической модели явления, его элементарного акта. Потому и термодинамические подходы к выявлению молекулярных механизмов, управляющих функционированием живых систем, являются безрезультатными.
Анализируя поток работ, посвящённых в биологии термодинамическим аспектам обсуждения «феномена жизни», необходимо также остановиться на многочисленном использовании термина «информация», тем более что из работ научных этот термин в форме «энергоинформационное воздействие» (фактор) переместился в бесконечный поток работ околонаучных.
Применению теории информации в биологии посвящено множество работ. Успехи этой теории в 60х годах прошлого века не прошли мимо биологии, и слово «информация» появилось практически во всех биологических исследованиях жизни и её происхождения. Прямое применение представлений теории информации к биологическому развитию состояло в рассмотрении вероятности отдельных биологических событий при множестве путей их реализации. Дж. Моно [92], например, ввёл для биологических систем понятие «телеономия», т. е. план развития, имеющий место в зиготе, в эволюционной популяции, в биосфере. Он считал, что живое отличается от кристалла только количеством заложенной в нём информации. Однако информация I в исходной теории имеет строгий количественный смысл и определяется числом равновероятных возможностей Г, из которых выбирается одна: I = K logГ. Эта формула подобна формуле для энтропии, по Больцману, S = k lnГ, что позволило, в частности, формально перейти от информации к энтропии, подведя под такой переход следующую научную базу: за получение информации нужно платить возрастанием энтропии. Более того, М. В. Волькенштейн предлагает считать информацию I мерой упорядоченности системы, а энтропию S — мерой неупорядоченности и связать их неким «законом сохранения»: S + I = const. Но изза практической бесплодности такого подхода для объяснения происхождения и закономерностей жизни многие биологи быстро отошли от формальной теории информации и, используя само слово «информация», начали наполнять его иным, более близким к проблемам биологии смыслом. Инициатором здесь выступил И. Шмальгаузен, который, рассматривая информационные аспекты эволюционной теории, подчеркивал, что для биологии обычная теория информации совершенно недостаточна [93]. Обычная теория рассматривает лишь количество информации независимо от ее смысла.

Для биологии же важно не количество информации, а заложенная в ней программа последующего развития [94]. В. Энгельгардт считал, что поток информации — это поток генетической информации, и видел в понятии «информация» теоретическую основу репликации. Существенно видоизменил смысл понятия «информация в биологии» М. Эйген. Он считал, что для биологии важна ценность информации, а не ее количество. Информация, по его мнению, обретает ценность в реальном физикохимическом процессе, и эта ценность должна быть выражена в измеримых физических величинах. Теория отбора и эволюции макромолекул, предложенная М. Эйгеном, связывается им с ценностью информации, определяемой как селективная ценность и представляющей собой основу организованных отношений между нуклеиновыми кислотами кодируемыми ими белками. Таким образом, информация, по Эйгену, это величина, характеризующая направленные отношения между молекулярными участниками эволюции: рост незаменимости новых мутаций в биологической эволюции означает рост ценности информации. И создание этой новой ценной информации, придающей смысл упорядочению, по Л. Блюменфельду, есть обязательное свойство живой материи [95].

Как видно из всех приведенных мнений, биологическое понятие информации к настоящему времени полностью утратило свой первоначальный «информационный» смысл, превратившись в одну из дополнительных характеристик упорядочения в живой биологической системе. Отчасти это связано с тем, что использование идей теории информации и термодинамики в научных статьях стало непременным атрибутом для работ, посвящённых феномену жизни. Авторы таких работ единогласно утверждают, что с точки зрения теории информации главное свойство живой системы состоит в её способности создавать новую информацию отбирать ценную информацию без особой за это платы повышением энтропии. Несмотря на то, что ни в одной из этих работ не приводится моделей процессов, показывающих, как отбирается нужная (ценная) информация, это заключение, безусловно, является важным вкладом в феноменологическую теорию живого. Одновременно оно же свидетельствует о том, что ни теория информации, ни термодинамика не обладают предсказательной силой
и потому не могут быть использованы для создания теоретически обоснованной модели жизни.

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (Еще не оценили)
Загрузка...

Выразить свое мнение:

Копирование и использование материалов сайта разрешено только при наличии прямой ссылки на источник.
Голубая глина и белая для масок для лица и волос. Фитотерапия и спирулина