§ 3. ЕДИНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ ЖИВЫХ И НЕЖИВЫХ СИСТЕМ

§ 3. ЕДИНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ ЖИВЫХ И НЕЖИВЫХ СИСТЕМ

Критерий устойчивости замкнутой физической системы, принятый в методологии линейной физики (энергия внутреннего взаимодействия элементов системы больше энергии внешних воздействий), заведомо неприменим к состояниям, далеким от равновесия. Неравновесные системы принципиально открыты, поскольку и энергетически малое воздействие, если оно резонансно характеристическим особенностям системы, может привести к существенным изменениям. В этом смысле понятие замкнутой (не обменивающейся со средой веществом), а тем более изолированной (не обменивающейся со средой энергией) системы соответствует лишь некоторым искусственно созданным и специально поддерживаемым ситуациям (термостат, например), а по отношению к природным объектам оказывается основанным на идеализации.

Более того, названный нами критерий ограничен уже по отношению к квантовым представлениям, поскольку внешнее воздействие может быть воспринято квантовой системой не при любой его энергии, а лишь при определенном, характерном для данной системы значении. Эти характеристические значения различаются для ядер, атомов, молекул на порядки, что и определяет существование иерархии уровней структурной организации материи или “квантовой лестницы”. Так удачно был назван В. Вайскопфом [22, 46—53] тот абстрактный объект физической картины мира, который позволяет соотнести на основе квантовых принципов предметы разных физических тео-

рий. Квантовая физика дает основание для объяснения устойчивости всех сложных систем, поскольку она выдвигает основания устойчивости их элементарных составляющих. Дискретность энергетических состояний ядер, атомов, молекул как квантовых систем определяет характеристические значения квантов энергии, которые эти системы могут поглощать, и соответственно наличие собственных характеристических частот спектров их излучения и поглощения.

Интересно, что спектры ядер, атомов, молекул имеют “одночастичный” характер, т. е. представляют собой набор узких дискретных линий, в отличие от широкополосных спектров коллективных связанных состояний многочастичных образований. Между тем сами ядра, атомы, молекулы также являются многочастичными системами, однако имеют линейные “одночастичные” спектры, т. е. выступают как одна частица, что и позволяет им играть роль элементов по отношению к системам более высокой ступени квантовой лестницы. Если, как мы условились, считать эту способность проявлением тотальной целостности (тотальности) сложных систем, то в качестве физического критерия тотальности можно выдвинуть “одночастичность” спектров действия системы, т. е. наличие у нее собственных характеристических частот .

На уровне квантовомеханической теории свойство целостности выражается через описание системы одной волновой функцией. Такое свойство проявляется не только микроскопическими объектами (ядро, атом, молекула). Существуют макроскопические квантовые эффекты (сверхпроводимость, сверхтекучесть), при которых система ведет себя как целое и описывается одной волновой функцией. Равновесные фазовые переходы второго рода приводят к образованию таких макроскопических квантовых структур за счет снятия хаотичных тепловых перемещений микрочастиц при сверхнизких температурах и установления глобальной когерентности их движения.

Однако для того чтобы система обладала высокой устойчивостью, необходима еще и периодичность волновой функции, описывающей систему. “Если гамильтониан имеет дискретный спектр,— пишет И. Пригожин,— то и изменение волновой функции периодично” [62, 184]. В свою очередь существование дискретных энергетических состояний системы (дискретный спектр гамильтониана) прояв-

___________________

*Этот критерий (без использования понятия "тотальность") был сформулировал С.П. Ситько [86, 135-137].

ляется в дискретности спектров ее излучения и поглощения, а периодичность волновой функции свидетельствует об устойчивости системы, воспроизводящей себя как целое. Таким образом, И. Пригожин вплотную подходит к возможности формулировки того физического критерия устойчивой целостности систем, который мы рассматриваем. Но И. Пригожина интересует как раз неустойчивость, необратимость неравновесных фазовых переходов. И он подчеркивает, что необратимость процессов может иметь место при выполнении необходимого условия, которое состоит в существовании непрерывного спектра функции Гамильтона для системы [62, 184].

Таким образом, то различие незамкнутой, становящейся целостности, необратимой в своей невоспроизводимости, и целого на уровне тотальности, воспроизводящего процесс своего становления и сохраняющего себя как его известный результат, то философское различие, о котором шла речь в предыдущем параграфе, может быть выражено математически. Обобщая условие необратимости, сформулированное для квантовых систем, И. Пригожин пишет: “Необратимость может возникать в классических и квантовых системах, причем в обоих случаях только при условии, что оператор Лиувилля имеет непрерывный спектр” [62, 266]. Дискретный спектр энергетических состояний системы и наличие собственных характеристических частот, связанных с переходом между этими состояниями, — это в соответствии с приводимым нами критерием признак тотальной целостности системы.

Итак, различие между объектами физики возникающего и физики существующего может быть выражено математически, но связь между ними еще не столь ясна. Правда, существует объект, сконструированный на основе квантовой механики, который оказался прототипом синергетической системы [75, 26]. Это лазер. Неравновесный фазовый переход, осуществляемый при определенной мощности накачки, приводит к тому, что атомы рабочего тела лазера начинают действовать скоррелированно, в результате чего лазер испускает монохроматический свет. Когерентность лазерного излучения — это, как и в случае со сверхпроводимостью, макроскопический квантовый эффект, но достигаемый в открытой системе за счет получения энергии извне.

Однако лазер как синергетическая система не обладает даже той степенью структурной устойчивости, которую проявляют, например, диссипативные структуры. Дело в том, что предельные циклы в решении нелинейных уравне-

ний могут появляться только при наличии особых точек. чего нет в случае с лазером. Таким образом, хотя между становящейся целостностью процессов самоорганизации и тотальной целостностью структурных единиц материи можно расположить с позициий категориального анализа диссипативные структуры как целое, являющееся результатом процесса становления, все же это не дает еще оснований говорить ни о самоорганизации устойчивых систем квантовой физики, ни об устойчивости диссипативных структур, достаточно высокой, чтобы они могли выступать в качестве элементов других систем. Между тем последовательное проведение идеи развития в современной научной картине мира требует и того и другого. Действительно, вопросы типа генезиса химических элементов или соотношения популяции и организма занимают важное место в реализации эволюционного подхода в современном естествознании.

Новые возможности для решения поставленных выше мировоззренческих вопросов и методологических проблем появились благодаря новым открытиям в области физики живого. Предваряя дальнейшее изложение, скажем, что техническое развитие производства генераторов электромагнитного излучения сверхвысокой частоты открыло перед исследователями такую область частот электромагнитного поля, к воздействию которых живые организмы оказались неожиданно чувствительны. Так, хотя электромагнитное поле в этом диапазоне особенно сильно поглощается водой (поэтому в солнечной радиации у поверхности земли эти частоты практически отсутствуют — их поглощают водяные пары в атмосфере), а живые организмы на Земле содержат много воды, воздействие на точно определенных частотах низкоинтенсивным полем очень сильно (носит резонансный характер). Ниже будет показано, почему возникла мысль о возможности выработки единого физического критерия целостности для живых и неживых систем [9, 24] при экспериментальном обнаружении резонансного воздействия электромагнитного излучения (в диапазоне миллиметровых волн) на живые системы — от простейших [27, 452—469] до человека [6, 60—63: 7, 24-32].

Эксперименты показали, что человеческий организм с функциональными нарушениями способен различать ничтожное изменение частоты внешнего электромагнитного излучения миллиметрового диапазона. При воздействии на точки акупунктуры, связанные с “больными” органами меридианами в соответствии с картографией иглорефлек-

сотерапии, электромагнитными полями с очень низкой (нетепловой) интенсивностью от нескольких квт/см² до долей мквт/ см² на определенных частотах в диапазоне 50—70 Ггц наблюдается терапевтический эффект.

Сенсорный отклик организма и аппаратурная регистрация изменений его физиологического состояния позволяют осуществлять настройку на “терапевтическую” частоту. Для нас важно подчеркнуть следующее:

1) точки воздействия могут находиться на больших (метр и более) расстояниях от “больного” органа и соответственно от области регистрируемых ощущений, т. е. организм реагирует на внешнее воздействие как целое;

2) прохождение “резонансной” частоты при настройке может иметь либо триггерный, либо гауссовский характер, причем в последнем случае относительная ширина гаус-совского типа иногда составляет доли процента, т. е. организм проявляет наличие характеристических частот одночастичного типа;

3) микроволновая резонансная терапия (так был назван этот метод лечения) оказалась эффективной для широкого класса заболеваний: от язвы желудка и 12-перст-ной кишки до склероза, костных болезней и психических расстройств (к настоящему времени это проверено более чем на 4000 больных), т. е. воздействие со строго определенной частотой вызывает переход системы в другое энергетическое состояние, как в квантовой системе;

4) по мере выздоровления реакция организма на электромагнитное поле ослабевает, и здоровые люди практически не чувствительны к потокам такого уровня, т. е. когда организм переходит в устойчивое состояние, он не чувствителен к флуктуациям.

Оценки показывают, что большие белковые молекулы, взятые изолированно, могут иметь колебательные уровни в диапазоне 10¹⁰—10¹¹Ггц, однако в конденсированной среде их энергетический спектр должен стать квазинепрерывным без дискретных состояний, способных воспринять внешнюю информацию в указа.нном частотном диапазоне. Вещество живого организма является конденсированной средой. Тем не менее обнаруженные резонансные полосы имеют ширину одночастичных спектральных линий. Это свидетельствует о дискретности энергетических состояний живых систем, поразительно аналогичной дискретности энергетических состояний таких устойчивых квантовых физических систем, как ядро, атом, молекула.

То обстоятельство, что именно такой (одночастичный) характер носят спектры действия живых организмов, дает

возможность предположить, что физические основания устойчивой целостности живого организма те же, что и на других ступенях квантовой лестницы: живой организм является квантовой системой. Тогда в качестве универсального физического критерия устойчивой целостности фундаментальных структурных единиц материи может выступать наличие у них собственных характеристических частот.

Возможность применения понятий квантовой физики (волновая функция, ее фаза, дискретность состояний, вырождение уровней и т.д.) к описанию макроскопических явлений определяется наличием в системе глобальной когерентности поведения ее элементов. Она может достигаться при фазовых переходах второго рода (сверхпроводимость, сверхтекучесть) или при неравновесных фазовых переходах (когеренция лазерного излучения, эффект Джозефсона) за счет самоорганизации.

Применительно к биологическим системам понятие когерентного возбуждения впервые ввел Фрелих [85, 613— 617]. Он показал, что за счет метаболической накачки в нелинейной среде формируется мода коллективных колебаний ансамбля однотипных клеток с частотой, соответствующей нижайшему одночастичному колебательному состоянию.

Экспериментальная фиксация проявления в резонансных эффектах характеристических частот живых организмов и теоретические указания на возможность их объяснения на основе понятия самоорганизации демонстрируют фундаментальную значимость синергетического подхода при описании биологических систем. -Возможности этого подхода не исчерпываются созданием математических моделей самоорганизующихся процессов в однородных системах организма (ритмика сердечных сокращений, электрическая активность мозга, дифференциация структур крыла дрозофилы).

Как экспериментальные и модельные данные, так и существующие представления о ходе биохимических реакций в организме [55, 202] говорят о том, что в нем должны обязательно существовать автоволновые процессы. Вопрос состоит лишь в том, какие масштабы они захватывают. За счет обычной диффузии это возможно только в ограниченных объемах (к примеру, внутри клетки), ибо организм представляет собой сугубо неоднородную среду, и неоднородности оказывают существенное влияние на характер развития процесса.

Приведенные соображения говорят в пользу высказы-

ваемой неоднократно ранее гипотезы о роли собственных электромагнитных полей в регуляции и синхронизации внутриклеточных процессов в целом организме. С этой точки зрения физическим агентом, осуществляющим роль переносчика информации об интенсивности некоторой реакции в заданном объеме ткани биообъекта, может быть электромагнитное поле в форме электромагнитной волны, спиновой волны или волны продольной поляризации. Важно, чтобы длина эффективного взаимодействия между “излучателем” и “приемником” была больше морфологических неоднородностей. Комбинация дальнодействующего электромагнитного поля с диффузионными процессами может выступить фактором, обеспечивающим кооперативность метаболических процессов в организме в достаточно больших объемах. Для математического описания поведения такого типа структур могут использоваться системы нелинейных дифференциальных уравнений и их решения в виде предельных циклов. Это особый вид автоволновых процессов, с которыми связывают накопление и циркуляцию энергии метаболизма.

С. П. Ситько и др. было высказано предположение [65, 60—63], что известные в иглорефлексотерапии “меридианы” и являются по сути пространственными решениями упомянутой системы уравнений, задающими векторное поле потока энергии метаболизма (трехмерные метаболические “вихри”, выделяемые в определенном объеме активной среды). Этот поток может осуществлять в организме и информационное, и энергетическое воздействие, поскольку двенадцать основных меридианов проходят своими “внутренними ходами” через все жизненно важные органы тела: сердце, легкие, желудок и т. д., а на их “внешних ходах” расположены точки акупунктуры — селективные по частоте приемники внешних “пусковых сигналов”. Проводя анализ численных решений модельных уравнений, записанных для простейших случаев, Ф. Кайзер [35, 250—285] показал сильную зависимость положений и формы предельных циклов от начальных условий, частоты и интенсивности таких сигналов, особенно в окрестностях особых точек, которые в нашем случае можно отождествлять с точками акупунктуры. Такая гипотеза позволяет трактовать сенсорную реакцию “в больном” органе как энергетический ответ организма на коррекцию пространственного положения соответствующего предельного цикла через особые точки.

Безусловно, строгое аналитическое решение задачи предполагает знание конкретного микроскопического ме-

ханизма, ответственного за формирование когерентного электромагнитного поля. Основываясь на экспериментальных данных (ширина резонансов примерно 0,1 %, а величина энергии отдельных квантов (2—3)10^-4 эВ), можно значительно ограничить круг моделей, пригодных для соответствующего описания, поскольку, как указывалось, дискретные переходы в области 5·10¹⁰—5·10¹¹ Ггц в неживых многочастичных системах должны отсутствовать. В живой же материи они возможны только в тех случаях, когда состояния, генерирующие эти переходы, выделяются на тепловом фоне. Известно несколько теоретических моделей, обеспечивающих такую возможность. В концепции Фрелиха [85, 613—617] предполагается, что за счет нелинейных процессов химический потенциал системы тождественных молекул может сместиться в район наиболее низкого коллективного колебательного состояния, обеспечивая при Бозе-конденсации большую неравновесную заселенность последнего за счет энергии метаболических процессов. Часть ее и накапливается в предельных циклах на частоте накачки этого состояния.

Известна модель солитонного транспорта энергии вдоль белковых молекул, предложенная А. С. Давыдовым [84, 83—115]. Теоретически обоснована резонансная фотодиссоциация долгоживущих солитонов на экситон и локальную деформацию при значениях частот внешнего поля 3·10¹⁰—7·10¹⁰ Ггц, т. е. существует возможность такого рода вмешательства в ход метаболических процессов.

Кроме того, было высказано предположение [66, 65], что информационная связь с внешним полем и транспорт энергии вдоль пространственных траекторий предельных циклов могут быть обусловлены спиновыми состояниями белковых молекул. Эта гипотеза нашла экспериментальное подтверждение [8, 58—83].

Вкратце предлагаемая Ситько и Сугаковым гипотеза означает следующее. Электромагнитные волны диапазона 45—65 Ггц, возникая в организме в результате переходов между подуровнями триплетного спин-спинового расщепления, обеспечивают универсальную дальнодействующую когерентность, которую не ограничивают неоднородности реальных живых структур. Роль короткодействующих активаторов могут выполнять ферментативные комплексы, активность которых, как известно [19, 152], триггерным образом зависит от ориентации спина внешних электронов в активных центрах.

Как видим, рассмотрение живого организма как це-

лостной физической системы при развитом понимании целостности в физике не означает редукции биологии к физике, поскольку причина того, что система оказалась целостной и в физическом смысле, имеет биологический характер. Действительно, возникновение предельных циклов, обеспечивающих физическую целостность системы, связано с нелинейностью в системе; нелинейность существует за счет химической энергии метаболизма, а основа метаболизма — биологический обмен веществ, т. е. все формы движения работают каждая на своем уровне и в тесной связи друг с другом; соответственно коррелируются методы естественных наук при описании живого. Значит, естествознание подошло к такому уровню развития, когда живая система может быть понята в своей специфической целостности только в том случае, если целостность эта прослежена во всех аспектах существования живого.

Высокая степень общности законов самоорганизации, их применимость в равной мере к физическим, химическим, биологическим, экологическим и другим системам, с одной стороны, создает предпосылки для синтеза естественнонаучного знания, а с другой — совершенно меняет ситуацию в осуществлении интеграционных процессов в науке. Речь идет прежде всего о соотношении методов естественных наук при исследовании живого.

До тех пор, пока физика занималась устойчивыми равновесными системами, применение физических методов, ориентированных на редукцию, на сведение свойств системы к свойствам элементов и их взаимодействий, было возможно лишь при анализе структуры биологического объекта. Целостность живых организмов, их способность к эволюции могли быть обнаружены лишь методами биологической науки. Несоответствие между методологическими установками наук, использовавшихся при изучении живого, создавало больше трудности для теоретического синтеза получаемых ими результатов; сведения об атомно-молекулярной структуре биологических объектов, даваемые физикой и химией, не сопрягались с биологическим знанием о функциях, выполняемых структурными элементами, организованными в части биологического целого.

Сейчас, когда физика и химия подошли к проблеме становления, оказалось, что у этих наук открылась возможность для исследования биологических систем как целостных образований. Действительно, если живой организм является целостной системой, то, очевидно, целостность его должна обеспечиваться на всех уровнях: и на биологическом, и на химическом, и на физическом. Дру-

гой вопрос, насколько близко та или иная наука подошла к тому, чтобы объяснить эту целостность со своих позиций. Если физика, химия, биология выработали свои критерии целостности, то и целостная биологическая система должна отвечать всем этим критериям.

Таким образом, мы рассматриваем живой организм как квантовую систему и диссипативную структуру, образовавшуюся в результате неравновесного фазового перехода и постоянно воспроизводящую себя благодаря процессам самоорганизации.

Указанный подход позволяет выделить среди диссипативных структур живые организмы как особый класс устойчивых целостных систем. Очевидно, к ним в полной мере можно отнести категорию тотальности. Во-первых, внешне они проявляют себя как высокоустойчивые системы. Во-вторых, организмы способны выступать в качестве элементов в экологической пирамиде (биогеоценоз в данном случае выступает как целое, формирующее себе в качестве частей популяции из элементов, которыми и оказываются особи определенного вида, т. е. живые организмы). В-третьих, сам живой организм—это “развертывающееся в самом себе и сохраняющее себя единство, т. е. тотальность, и лишь посредством различия и определения различий может существовать их необходимость и свобода целого” [25,100].

Попытке подойти к структурным элементам вещества как к результату самоорганизации (т. е. перейти от аналогии между некоторыми диссипативными структурами и квантовыми системами к аналогии между квантовыми системами и самоорганизующимися структурами) будет посвящен следующий параграф.