Концепции современного естествознания: Ч. 2. Физика живого

московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС t 

Кафедра философско-исторических и социально-правовых наук 

В.В. Горбачев 

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО 
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 

Часть 2 

Физика живого 

Учебное пособие 

для студентов гуманитарных специальностей 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института 

МОСКВА 2001 

УДК 5(075.8) 
ББК 20 
Г90 

Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие: Ч. 2. Физика живого. М.: МИСиС, 2001. – 196 c. 

Вторая часть учебного пособия «Концепции современного естествознания» 
«Физика живого» дает представление о физических принципах объяснения мира 
живой природы с позиции современной, в том числе постнеклассической физики. 

В ней рассмотрены термодинамические и энергетические особенности живых систем, уровни организации и системный подход к их изучению, физические 
принципы возникновения, воспроизводства и развития живых организмов, физическое понимание эволюционного и индивидуального развития организмов, дано 
представление о физических и информационных полях биологических структур, изложены физические основы экологии и роль пространства, времени и информации 
для живых организмов, а также значение асимметрии в возникновении и развитии 
биосферы. 

Пособие предназначено для студентов вузов и колледжей, преподавателей 
и аспирантов. Может быть полезно и широкому кругу читателей, интересующихся 
проблемами физики живого. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС), 2001 

© В.В. Горбачев, 2001 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. От физики существующего к физике возникающего 
6 

1.1. Термодинамические особенности живых систем 
7 

1.2. Энергетический подход к описанию живого 
10 

1.3. Уровни организации живых систем и системный подход к эволюции 
живого 
13 

1.4. Физическая интерпретация биологических законов 
20 

1.5. Пространство и время для живых организмов 
24 

1.6. Энтропия и информация в живых системах 
29 

2. Физические аспекты и принципы биологии 
34 

2.1.0татомовкпротожизни 
34 

2.2. Химические процессы и молекулярная самоорганизация 
40 

2.3. Биохимические составляющие живого вещества 
50 

2.4. Клетка как «элементарная частица» молекулярной биологии 
66 

2.5. Роль асимметрии в возникновении живого 
76 

3. Физические принципы воспроизводства и развития живых систем 
82 

3.1. Информационные молекулы наследственности 
82 

3.2. Воспроизводство и наследование признаков 
85 

3.3. Процессы мутагенеза и передача наследственной информации 
89 

3.4. Матричный принцип синтеза информационных макромолекул и 
молекулярная генетика 
92 

4. Физическое понимание эволюционного и индивидуального развития 

организмов 
99 

4.1. Онтогенез и филогенез. Онтогенетический и популяционный уровни 
организации жизни 
99 

4.2. Физическое представление эволюции. Синтетическая теория эволюции... 101 
4.3. Аксиомы биологии 
107 

4.4. Признаки живого и определения жизни 
113 

4.5. Физическая модель демографического развития СП. Капицы 
118 

5. Физические и информационные поля биологических структур 
123 

5.1. Физические поля и излучения функционирующего организма человека.... 123 
5.2. Механизм взаимодействия излучений человека с окружающей средой 

и возможности медицинской диагностики и лечения 
130 

5.3. Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в 
организме 
135 

6. Физические аспекты биосферы и основы экологии 
142 

6.1. Структурная организованность биосферы 
142 

6.2. Биогеохимические принципы В.И. Вернадского и живое вещество 
147 

6.3. Физические аспекты эволюции биосферы и переход к ноосфере 
149 

6.4. Физические факторы влияния Космоса на земные процессы 
152 

6.5. Физические основы экологии 
156 

6.6. Принципы устойчивого развития 
161 

Темы курсовых работ, рефератов и докладов 
164 

Вопросы к зачету и экзамену 
167 

Литература 
169 

Словарь терминов 
174 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Жизнь - это тема детективного 
Непостоянно все, что в мире есть 

романа, всегда прерывающаяся 
К тому ж изъянов в том, что есть, не счесть. 

на самом интересном месте. 
Поверь же в то, что сущее незримо 
И признано все то, что зримо есть. 

^•'^'^"™'''' 
О.Хайяи 

Наша жизнь есть то. 
Жизнь - это искусство делать 

Что мы о ней думаем. 
верные выводы из неверных посылок. 

Марк Аврелий 
С. Батлер 

Переходя к описанию представлений о живом, мы затрагиваем самый глубинный вопрос нашего бытия в реальном физическом мире, который наряду с проблемами происхождения Вселенной и человека волнует человечество с тех пор, как 
появился Разум. Проблема жизни неоднократно обсуждалась в науке и понимание 
этой проблемы в соответствии с существующими представлениями было разным. К 
сожалению, и сейчас современная наука не может дать окончательного ответа на вопрос, что такое Жизнь. Это вовсе не означает, что не существует возможных вариантов ответов. Они безусловно есть, в том числе и приближающиеся, казалось бы, к 
истине, но это скорее характеристики или отличительные признаки живого, описывающие ту или иную сторону его определения. 

А ведь проникновение в сущность понимания жизни, ее возникновения и 
эволюции определяет будущее человечества на Земле как вида живого. Конечно, в 
настоящее время накоплен огромный фактический материал, есть его осмысление, 
особенно в области молекулярной биологии и генетики, есть схемы или модели развития, есть даже практическое клонирование человека, но... нет ответа. Ближе всего 
к разгадке тайны подошла современная биология, но, как справедливо заметил 
П.В. Тимофеев-Ресовский: «в настоящее время никакой теоретической биологии, 
сравнимой с теоретической физикой, нет» [33]. 

Более того, биология сообщает множество интересных и важных подробностей о человеке, упуская что-то принципиальное. Мы помним из первой части 
нашего курса, что само слово «физика» по Аристотелю означает «фюзис» - природа. 
Так, может быть, ответ о сущности живой природы дает тоже физика? Действительно, вся материя Вселенной и, следовательно, мы сами состоим из атомов и молекул, 
для которых уже получены количественные и в целом правильные законы их поведения, в том числе и на квантово-молекулярном уровне. 

Тем более, что физика была и остается важным фактором общего развития 
человеческой культуры в целом. В этом смысле физика не только область знания, 
она создает наиболее близкое для биологии социокультурное понимание, ощутимое 
без и до рефлексии знания. Вероятно, именно в физическом познании отражены 
стили мышления. Логико-методологические аспекты познания и самой науки почти 
целиком основаны на опыте физических наук. 

Поэтому задача научного познания живого, вероятно, и состоит в обосновании применения физических моделей и представлений к возможности определять 

4 

развитие природы и общества также на основе физических закономерностей и научного анализа получаемых знаний о механизме процессов в живом организме. Как 
говорил еще 25 лет тому назад М.В. Волькенштейн [26]: «в биологии как науке о 
живом возможны только два пути: либо признать невозможным объяснение жизни 
на основе физики и химии, либо такое объяснение возможно и его надо найти, в том 
числе, на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля». 

По-видимому, истинное толкование биологических явлений- атомномолекулярное. Постановка и решение проблемы генетического кода, раскрытие молекулярной природы наследственности и изменчивости, в конечном счете, сводится 
к квантово-механической трактовке этих явлений. Можно предположить, что в природе, неживой («косной» по В.И. Вернадскому) и живой, управляют единые законы, 
только механизм их проявления разный. Это стало особенно ясно после использования синергетических идей в самоорганизации сложных систем. Поэтому применение 
физических моделей к проблемам живого, на наш взгляд, вполне правомерно, что и 
рассматривается в данном учебном пособии. 

Естественно, при этом будут даны современные представления о процессах 
в живых организмах, специфике установленных законов их развития и возникновения самой жизни не только с позиций постнеклассической физики, но и рассматриваемого в нашем пособии холистического подхода. Для более углубленного и подробного ознакомления с современной биологией необходимо обратиться к соответствующей литературе, список которой дан в конце пособия, где по нашей традиции 
также приведен словарь терминов, используемых в этой части пособия. 

Тем не менее, очевидно, что эту проблему одной физикой, одним разделом 
науки не решить. Появились некие, в том числе и физические принципы, не противоречащие основным известным законам. (А это, как мы знаем, очень важно для истинности настоящей науки!). По в целом феномен живого пока ускользает от нашего 
понимания. Чтобы понять его, как и общую картину мира, надо отойти от частных 
наук. Большое видится на расстоянии и со временем... Как остроумно заметил блистательный П.В. Тимофеев-Ресовский [33]: «Мы все такие материалисты, что нас 
всех безумно волнует, как возникла жизнь. При этом нас почти не волнует, как возникла материя. Тут все просто. Материя вечна, она всегда была и не нужно никаких 
вопросов. Всегда была. А вот жизнь, видите ли, обязательно должна возникнуть. А 
может быть, она тоже всегда была. И не надо вопросов, просто всегда была, и все». 

Вторая часть нашего пособия по концепции современного естествознания это приглашение к совместным раздумьям на поле современной науки. Как сказал 
великий Омар Хайям: 

В этом мире ты мудрым слывешь. 
Ну и что? 
Всем пример и совет подаешь. 
Ну и что? 
До ста лег ты памереп прожить. Допускаю, 
Может быть, до двухсот проживешь. 
Ну и что? 

5 

1. о т ФИЗИКИ СУЩЕСТВУЮЩЕГО 
К ФИЗИКЕ ВОЗНИКАЮЩЕГО 

в первой части пособия [38] мы попытались представить свое объяснение 
законов природы на основе имеющихся физических представлений или, следуя терминологии И.Р. Пригожина [116, 117], физики необходимого и существующего. Эта 
физика, основанная главным образом на понятиях классической и квантовой механики, равновесной термодинамики и в какой-то степени космомикрофизики, в определенные моменты развития человеческого разума давала ответы на вопросы о происхождении и эволюции Универсума. Под Универсумом понимается существующий 
и доступный нашему наблюдению мир, который можно рассматривать как целое. 
Согласно Н.Н. Моисееву [97] «все, что лежит вне Универсума, не существует и относится к вере, т. е. находится вне науки и практического опыта». 

Однако, как мы неоднократно убеждались, многие сложные системы неживой и особенно живой природы требуют принципиально другого подхода к нимкак сложным самоорганизующимся объектам, в которых идут неравновесные нелинейные процессы когерентного характера. Поэтому можно считать, что представления предыдущей физики, хотя и были правильными, необходимыми, но, тем не менее, имели известные ограничения, задаваемые физическими моделями, и поэтому 
подчас были недостаточными. 

Была физика существующего, но она не описывала адекватно физику возникающего, не могла дать правильную оценку развития будущего. В частности, физике была чужда идея исторического развития, круговорота веществ в природе, учета явлений памяти систем, влияния будущего на настоящее, созидающая роль хаоса 
и его взаимоотношения с порядком, разное понимание времени, сущности живого и 
другие вопросы, которые физика фактически отдала или другим наукам, или теологии. Тем не менее, сейчас она должна их перед собой ставить и пытаться решить. 

В значительной мере этот переход от физики существующего к физике возникающего в настоящее время осуществляется за счет использования представлений о самоорганизации. Сейчас предпринимаются попытки на базе современных физических 
моделей объяснить возникновение и развитие различных изменений в сложных объекгах 
косной и живой природы, т. е. привнести в описательные науки о природе и живом (географию, геологию и другие) некие физические начала. В этом смысле физику живого 
можно рассматривать как феномен постнеклаесической физики. 

Как известно, долгое время прерогатива в решении этих вопросов принадлежала биологии, однако с развитием ее теоретической базы и возникновением молекулярной биологии и молекулярной генетики удалось физико-химическими причинами объяснить механизмы организации и передачи генетического кода и синтеза 
клеток, белков, аминокислот и других важных для жизни молекулярных соединений. 
Это привело к возможности физического объяснения биологических процессов на 
основе общих закономерностей - как классических представлений строения вещества и его взаимодействия через поля, так и понимания неравновесных нелинейных 
процессов самоорганизации в сложных физико-химических системах, какими являются живые организмы. 

Необходимо подчеркнуть, что такой подход не означает механистического 
приложения и использования количественных законов физики в этих описательных 
компонентах нашего знания о живой природе, а является шагом вперед в понимании 

6 

эволюции мира и зарождения жизни с позиции физики. В рамках такого подхода мы 
можем использовать весь аппарат естественно-научных методов познания и холистического подхода современного естествознания к описанию всего сущего, лишая 
возможности применения псевдофилософских и теологических построений. 

На самом деле осмысление того, что происходит во Вселенной, в самом 
человеке, осознание своей причастности к Универсуму и своего положения в нем в 
значительной мере определяется пониманием самой сущности жизни и физика сейчас уже не может игнорировать эти вопросы. 

1.1. Термодинамические особенности 
живых систем 

Жизнь больше не выглядит как островок 
сопротивления второму началу термодинамики 
или как деятельность каких-то демонов 
Максвелла. Она возникает теперь как 
следствие общих законов физики. 

И. Пригожий 

Еще в 1945 г. один из отцов-основателей квантовой физики Э. Шредингер в 
своей знаменитой книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» [157] попытался 
дать общие соображения о термодинамике жизненных процессов. Кстати, эта работа 
подтолкнула многих физиков к занятиям молекулярной биологией, а некоторых 
привела и к Нобелевской премии. Основной идеей Э. Шредингера было утверждение, что «живая материя уклоняется от деградации к равновесию». Но равновесие в 
изолированной, замкнутой системе характеризуется в рамках классической термодинамики максимумом энтропии. Значит, если система «уклоняется» от равновесия, 
то она должна постоянно компенсировать производство энтропии какой-то энергией. с точки зрения физики - своей свободной энергией: 

F=U-TS, 
(1.1) 

где F-свободная энергия; 

5-энтропия; 
и- внутренняя энергия системы; 
га-связанная 
энергия. 

Из (1.1)следует, что энергия состоит из свободной и связанной энергии. 
Свободная энергия - та часть внутренней энергии, за счет которой может 
совершаться работа, а связанная энергия через первое начало термодинамики 
bQ = du + Ы определяется теплотой Sg = SdT и не может быть полностью превращена в полезную работу 5^. Связанная энергия, которая рассеивается в окружающее 
пространство, как раз и характеризуется энтропией S. Формула (1.1) определяет свободную энергию по Гельмгольцу, а свободная энергия G по Гиббсу: 

G = H-TS, 

где Я - энтальпия или теплосодержание. 

Кстати, из идеи Шредингера и формулы (1.1) следует, что Э. Шредингер 
уже неявно, но предполагал, что живой организм- это открытая система, обменивающаяся с окружающей средой энергией, материей и информацией. 

7 

Как нам уже известно из физики существующего [38], все превращения 
энергии описываются термодинамическими законами, которые при правильно 
сформулированных физических ограничениях и адекватных физических моделях 
применимы и для жизненных процессов. Из простого физического соотношения 
(1.1) вытекает представление, что уменьшение энтропии (возникновение отрицательной энтропии, негэптронии по Э. Шредингеру) в живом организме при взаимодействии его с окружающей средой связано с ростом свободной энергии. А термодинамика («властная тетка» из главы 7 первой части пособия) говорит, что увеличение свободной энергии происходит с упорядочением системы, ее усложнением и отклонением от равновесия. 

Сам Э. Шредингер считал, что живые организмы «извлекают упорядоченность из окружающей среды», питаются структурированной, упорядоченной пищей, 
а отдают природе менее структурированные «отходы производства» своей жизнедеятельности. Биологи это общее положение развивают как возникновение специфической упорядоченности для разных видов животных («волчья» и «заячья» упорядоченность по Б.М. Медникову [89]). Сначала поступающая пища расщепляется 
до низкомолекулярных веществ, аминокислот, углеводов, Сахаров и т. д., общих для 
всей живой природы, а затем за счет поглощения энергии извне из «элементарных 
кирпичиков» жизни организмы строят присущие лишь им белки. Поэтому каждый 
организм и характерен неповторимой, именно ему присущей комбинацией белковых 
молекул, своей специфичной упорядоченностью. 

Таким образом, живые организмы избегают повышения энтропии и повышают ее в окружающей среде при общении с ней живого организма. Энтропия«омертвленная» энергия, которую нельзя превратить в работу. Вспомним еще раз, что 
по законам классической термодинамики в изолированных системах тепло полностью 
не переходит в работу, оно рассеивается, т. е. процесс идет от порядка к хаосу. 

Для живых организмов, как открытых систем, с физической точки зрения 
акт творения живого будет состоять «в спонтанной трансформации тепловой энергии необратимых флуктуации в целенаправленную механическую работу создания 
высокоорганизованной системы» [115] именно за счет свободной энергии. Следовательно, динамическая неравновесность живых систем уже по определению, как говорят в точных науках, свидетельствует об их непременной упорядоченности, так 
как равновесие соответствует беспорядку, хаосу и приводит к смерти живого организма, когда энтропия его максимальна. 

Энтропия, как нам известно, выступает как мера хаоса, неопределенности, 
усреднения поведения объектов, установления стабильного состояния и даже определенного единообразия. Надо отметить, что простые меры из жизни биологических 
объектов показывает, что они не хотят подчиняться термодинамическому закону для 
изолированных систем. Одним из биологических законов развития является как раз 
разнообразие видов и разновидностей различных организмов, что неумолимо должно приводить к уменьшению энтропии в живых системах. Кстати, гипотетическое 
появление белой вороны в стае черных также означает уменьшение энтропии стаи. 
А увеличение неопределенности в статистических хаотических состояниях с максимальной энтропией- враг номер один для человека: возникает психическая напряженность, дискомфорт, неудовлетворенные потребности, отрицательные эмоции. 
Поэтому наш организм и стремится минимизировать именно энтропию. 

Для материальных объектов неживой природы при небольших отклонениях от 
равновесия даже для нестационарных процессов в рамках классической термодинамики 

8 

между потоками вещества и силами, вызывающими движение этих потоков, существуют 
линейные связи, так называемые соотношения Л. Опсагера (1903 - 1976). 

Ji = ^UjXj, 
(1.2) 

где J,-поток; 

Х-термодинамическая сила; 
i,-линейный коэффициент. 

Оказалось, что для сложных самоорганизующихся объектов живой природы процессы обмена веществом и энергией с окружающей средой макроскопически 
неравновесны, идут при наличии большого градиента концентраций химических 
веществ, температуры, электрических потенциалов, давления, а не подчиняются соотношениям (1.2). Коэффициенты Ц становятся нелинейными. Поэтому и сама самоорганизация живых организмов является нелинейным процессом. 

Как уже обсуждалось, уравнения, описывающие такую систему, являются, 
естественно, нелинейными и множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции живой системы, которые и описываются этими нелинейными уравнениями. Возникновение нелинейности связано с усилением флуктуации процессов, изменением пороговой чувствительности к управляющим параметрам, появлению бифуркаций и неожиданности изменений направлений течения 
процессов при дискретности возможных путей эволюции. Такие представления полностью вписываются в рамки теории самоорганизующихся сложных систем как неживой, так и живой природы. Заметим, что так же, как и ранее, под самоорганизацией 
мы понимаем установление в неравновесной диссипативной среде пространственных 
структур, которые могут развиваться и во времени. Параметры их определяются уже 
свойствами самой среды и мало зависят от источника неравновесности в виде потоков энергии и вещества, начального состояния среды и условий на границах. 

Мы видим, таким образом, что неустойчивость становится одним из главных 
факторов развития самоорганизующихся систем, в том числе и биологических. Развитие 
началось из хаотического состояния, но законы неравновесной термодинамики привели 
его к направленному ходу. Становление новых форм происходит тогда, когда система в 
ходе своих внутренних перестроек и усложнений приобретает признаки неустойчивости. 
Это приводит к качественным изменениям через точки бифуркации, и характер этого 
механизма именно нелинейный. Причем под неустойчивостью можно понимать возникновение и режимов сверхбыстрого нарастания развития («режимы с обострением»), и 
процессов с нелинейной положительной связью, а не просто попадание системы в точки 
бифуркации. Кстати, понятие бифуркаций (для гуманитариев, по Ф.И. Тютчеву - «минут 
роковых») вводят в физико-химическую основу биологических явлений представления 
об истории или памяти, элементы которых прежде считались вотчиной социальных и 
других гуманитарных наук. 

Что же касается биологической изменчивости и приспособляемости живых 
организмов - в рамках понятий самоорганизации можно сказать, что те живые системы, которые не смогли охватить диапазон жизненно важных воздействий на них 
внешней среды, попросту вымерли, не выдержав борьбы за существование. Па их 
могилах можно было бы написать, по образному выражению А.И. Молчанова: «Они 
были слишком линейны для этого мира» [134]. 

Возвращаясь к энергетическим представлениям в объяснении феномена 
живого, отметим еще раз, что для устойчивого состояния характерно минимальное 
производство энтропии, а для неустойчивого стационарного состояния - максимальное ее производство. Как это связать с уже рассмотренным в первой части пособия 

9 

принципом производства минимума энтропии Гленсдорфа-Пригожина? Объяснение 
этого состоит, по-видимому, в том, что развитие организма идет через неустойчивости, но в целом он стремится сохранить свою стабильность, упорядоченность на 
макроскопическом уровне запасенной свободной энергии, «выкинув» ненужный ему 
избыток энтропии в окружающую среду. 

Живой организм - это открытая система, но если ее рассматривать вместе с 
внешней средой, то они образуют общую закрытую систему, в которой в целом согласно классической термодинамике энтропия возрастает при усложнении живого. 
Физический закон сохранения энергии работает и здесь. В живом организме энтропия уменьшается при росте свободной энергии, которая нужна для энергетических 
процессов в нем, а в окружающей среде - растет. Закон сохранения энергии вместе с 
законом сохранения вещества определяют также постоянный круговорот веществ и 
энергии между неорганической (косной) и органической (живой) материей на Земле. 

Живое вещество после прекращения своей деятельности отдает неживому все, 
что оно у него взяло, и общая масса и энергия не изменяются. Однако мы должны понимать, что всякий раз, когда энергия переходит из одной формы в другую, она утрачивает 
часть своей способности производить полезную работу, подобно тому как сгорание горючей смеси в двигателе автомобиля не полностью переходит в полезное его движение часть освобождающейся энергии действительно приводит автомобиль в движение, а 
часть теряется, бесполезно для движения рассеивается через радиатор и выхлопную трубу в полном соответствии со вторым началом термодинамики. 

Следовательно, при всяком превращении энергии энтропия возрастает. Отсюда можно сделать два вывода. Первый - энтропия для живого организма не нужна, для выполнения его целевых функций нужна свободная энергия и он за нее «борется», а ненужную, бесполезную для него энтропию «сбрасывает» в окружающую 
среду. И второй - из этого же термодинамического подхода следует, что для выполнения любой работы необходим избыток энергии. Взаимоотношение между свободной и связанной энергией наглядно выразил И.Р. Пригожий [116]: «структура формулы (1.1) отражает конкуренцию между энергией и энтропией». 

Таким образом, все спонтанные процессы природы, в том числе и ее самоорганизация, осуществляются посредством энергетических механизмов, которые подчиняются физическим законам. «Биоэнергетика- основное свойство всего живого»,- подчеркивал В.И. Вернадский. Встает вопрос: откуда берется энергия в природе? Первичным началом является лучистая энергия Солнца, а источником энергии для всех видов 
активности живых организмов служат питательные вещества - органические молекулы. 
Они содержат энергию, запасенную в химических связях между атомами и освобождаемую для полезной для организма работы при разрыве этих связей, т. е. при участии электронов, а они, как известно, одинаковы и для живой и неживой природы. 

1.2. Энергетический подход 
к описанию живого 

Энергия, которой обладает 
Энергия есть главная 

Разум, неисчерпаема. 
движущая сила эволюции. 

В.И. Вернадский 
Р. Фокс 

Па основе энергетических представлений сейчас развивается так называемый энергетический подход к объяснению явлений жизни, развитый в работах 

10