Синергетика:
предпосылки возникновения и возможности развития ее идей в биохимии

А.Н.Колодкин, В.П.Саловарова

В настоящее время в научном мире все больше внимания уделяется синергетике [1], которая из сравнительно молодой науки, изучающей процессы самоорганизации в сильно неравновесных условиях, начинает превращаться в новую парадигму как для естественно-научных, так и для гуманитарных областей знания. Сам факт того, что одна парадигма сменяет другую, вполне естественен. Еще около 25 веков назад, предположительно Гераклитом, было сказано: “Все течет. Все изменяется”. И действительно, меняется все, в том числе и в науке происходит непрерывная трансформация взглядов на окружающий нас мир. Однако возникает вопрос: почему начинающая сейчас утверждаться парадигма – это парадигма именно синергетики? Какой след она оставит в философии науки в целом и какие новые методологические подходы предложит для частных наук?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выйти за рамки какой-то одной науки и попытаться найти место синергетики в общем процессе развития знаний, который имеет совсем не случайный и не хаотичный характер. Ведь по словам того же Гераклита, “все течет не как попало, а повинуясь законам единого мудрого”. На основе историко-философского анализа последовательно проходящих в науке изменений представляется возможным проследить их основную направленность, что позволяет не только показать закономерность возникновения той или иной парадигмы (в нашем случае – парадигмы синергетики), но и экстраполировать эту закономерность на дальнейшее развитие науки. Такая экстраполяция, в свою очередь, помогает наметить некоторые варианты трансформации методологических подходов уже в конкретных естественно-научных областях, например в биологии, что и предполагается сделать в данной статье.

Историко-философский анализ позволяет проследить, как на протяжении нескольких веков наука шла к синергетической парадигме, последовательно утрачивая веру в возможность полного и детерминированного описания природных явлений.

Парадигма жесткого детерминизма своим появлением в значительной степени обязана механике Ньютона. Это нашло подтверждение в работах одного из основоположников синергетики – И.Р.Пригожина, продемонстрировавшего распространение идей механики на картину Вселенной, которая сравнивается с гигантскими механическими часами, запущенными Богом [2]. При этом живыми и разумными оказываются только Бог, изначально создавший чертежи вселенских часов, и человеческий Разум, в конечном итоге способный прочесть эти чертежи во всей их полноте, а все остальное живо настолько же, насколько живы шестеренки, пускай и в самых сложных часах, и никакой “софийности” у материи, если прибегнуть к терминам некоторых философов (например, С.Н. Булгакова), в таких часах быть не может.

Несмотря на то что подобное представление о влиянии механики Ньютона на общую картину Вселенной не вызывает возражений, по поводу причин возникновения именно такой механики, основанной на идеях полного детерминизма, существуют определенные разногласия. Предпосылки возникновения механики Ньютона можно трактовать по-иному, чем согласно описанным в литературе взглядам, когда в качестве основной причины рассматривается резонанс христианской теологии с экспериментальностью и социально-экономическими факторами того времени [3]. Действительно, христианство открывало возможность познания сотворенного мира, о чем свидетельствует хотя бы тот факт, что в Китае, где впервые изобрели компас и порох и уже в XIII в. использовали многозарядные ракетные установки [4], так и не вывели второго закона Ньютона. Однако то, что такое познание должно быть основано всецело на ratio, что материя должна всегда однозначно подчиняться выведенным в человеческом разуме математическим формулам и что вообще возможно полное познание окружающего мира, из христианства совсем не следовало, а если и стало впоследствии для него характерным, то скорее лишь для его западной ветви. Ведь, как заметил в начале XIV в. систематизатор восточно-христианского исихазма св. Григорий Палама в полемике с Варлаамом Калабрийским, “разве истина внешней науки не сомнительна и не смешана с ложью, почему всегда рано или поздно опровергается” [5].

Интересно отметить тот факт, что вполне в русле православного богословия С.Н.Булгаков обращает внимание на то, что “понять мир только как механизм, как это делают представители радикального детерминизма (Лаплас, отчасти Кант и др.), невозможно, его приходится понимать не только как машину, но и как живое существо” [6]. Далее “вслед за Григорием Нисским Булгаков утверждает, что после изначального творческого акта Бога дальнейшее развертывание всего многообразия тварного бытия совершается при непременном и творческом участии уже самой материи” [7].

Таким образом, несложно заметить, что сама по себе христианская теология обусловливает возникновение ныне развенчиваемой парадигмы жесткого детерминизма ровно настолько же, насколько и парадигмы синергетики. Следовательно, предпосылки появления идей относительно детерминированности “вселенских часов” начальными условиями, отсутствия свободы у неодушевленных элементов этой системы и возможности ее полного описания связаны не с христианской теологией, а с другими причинами. Эти идеи могут уходить своими корнями в античное наследие, национальные мифические конструкции и, наконец, в структуру языка, который использовался для их выражения.

Последний фактор обычно почти не учитывается, хотя, на наш взгляд, может играть весьма заметную роль. Например, в языке, на котором озвучивалась механика Ньютона, по преимуществу субъекты, наделенные разумом, имеют полную свободу что-либо делать и выражать к этому свое отношение. Например, я могу стоять в саду напротив дома (I am standing in the garden in front of the house) и смотреть на зеленеющую траву, но дом стоять не может, он может только находиться (there is a house in the garden) или быть построенным, и трава зеленеет не сама, а есть зеленая (the grass is green), и даже я сам, когда я был еще it и, значит, не обладал разумом, не родился, а был рожден (I was born).

Интересно сравнить этот язык с языком другой островной страны – Страны восходящего солнца, где “я” и другие местоимения более корректно в предложении вообще опускать, и с русским языком, находящимся в этом отношении где-то посередине. Показательно, что при составлении английских текстов русскоязычными авторами английский язык, как это отмечают многие специалисты, сильно “засоряется” не очень характерным для него обилием вводных конструкций, указывающих на какую-то третью, не зависящую от “меня” переменную, тогда как правильно использовать связанные лично со “мной” модальные глаголы. Например, употребляется конструкция It was necessary for me… вместо I had to… и It seems that he knows… вместо He seems to know…

Отсюда видно, что английский язык мог оказаться одним из существенных факторов становления парадигмы жесткой детерминированности природных явлений, которая нашла свое воплощение в механике Ньютона.

Однако механика с ее стремлением дать полное описание системы в настоящем и точно и однозначно предсказать ее поведение в будущем исходя из начальных условий, с ее полностью обратимыми процессами начала активно расшатываться термодинамикой, утверждавшей обратное: все определяется конечными условиями (состоянием с наименьшей энергией) и все идет в одну сторону – в сторону увеличения хаоса, в сторону роста энтропии [8]. В то же время в рамках самой механики стали появляться открытия, во многом противоречащие идеям жесткого детерминизма. Так, одним из наиболее обычных объектов классической динамики всегда служил маятник, который может либо вращаться, либо колебаться, что, если следовать принципам ньютоновской механики, всецело зависит от начальных условий (для вращения необходим больший запас кинетической энергии), т.е. зная кинетическую энергию маятника, всегда возможно однозначно предсказать его поведение. В ХХ в. было открыто, что существуют пограничные области, в которых при одних и тех же условиях могут наблюдаться различные траектории, и возможно предсказать лишь статистическое будущее системы [9]. Следовательно, физический маятник оказывается способным в некотором интервале значения кинетической энергии самостоятельно выбирать между вращением и колебанием.

Вытеснение из науки идей жесткого детерминизма продолжили квантовая механика (снятие традиционного дуализма волна – частица, принцип неопределенности Гейзенберга и т.д.), теория относительности Эйнштейна и еще целая серия открытий в различных областях науки, например дифференциальные уравнения в математике, дающие разные ответы при абсолютно правильных решениях. Совершенно закономерным этапом в наблюдаемом процессе постепенного отказа от веры в возможность полного и детерминированного описания любых систем стало появление синергетики. Основной тезис синергетики формулируется как отказ от полноты в пользу целостности [10], что отличает синергетику от традиционной научной парадигмы, предполагающей достижение полноты, которая при математическом описании какого-либо объекта может достигаться путем моделирования внешних связей в терминах избранного уровня. Тем самым система замыкается и перестает быть целостной. У целостной же системы всегда сохраняются внешние связи. Соответственно в рамках синергетики, с одной стороны, обосновывается необходимость интеграции слишком специализированных в настоящее время наук, а с другой – признается невозможность полного описания целостных открытых систем, из которых и состоит мир.

Синергетика, а точнее, возникшая в ее недрах семиодинамика пытается полностью отойти от формальной линейной логики и перевести методологию научного познания на триады равноценных понятий, где каждые два на первый взгляд противоречивых понятия не взаимно исключаются, а полностью примиряются в третьем [11].

Кроме того, синергетика не только обосновывает необходимость нелинейного многомерного мышления для познания такого же нелинейного мира и признает невозможность его полного описания, но и наделяет природные процессы некоторой недетерминированностью. Это видно, в частности, уже в первых опытах по синергетике, связанных с образованием ячеек Бенара, которые появляются в слое жидкости с вертикальным градиентом температуры. В определенном интервале градиента температуры беспорядочное движение молекул жидкости прекращается и возникает конвекция, соответствующая когерентному, т.е. согласованному, движению ансамблей молекул. При этом, вопреки принципу Больцмана, случайная флуктуация, в данном случае микроскопическое конвективное течение, не вырождается, а усиливается и завладевает всей системой, в результате чего и образуются визуально наблюдаемые правильные ячейки. Следует отметить тот факт, что вероятность установления движения жидкости по часовой или против часовой стрелки в конкретной ячейке в большой серии опытов одинакова и зависит от одной случайной флуктуации, следовательно, признается невозможность детерминировать условиями опыта направления вращения жидкости.

Проведенный выше историко-научный экскурс показывает, что появление синергетики, которая продолжает процесс отказа в науке от идей жесткого детерминизма и экспериментально обосновывает ограниченность полного и детерминированного описания естественных систем, фиксируя возможность их самоорганизации в различных состояниях при одних и тех же внешних параметрах (что на графике выражается в виде бифуркаций), явилось закономерным этапом в развитии науки. Пока такая самоорганизация различными способами при одних и тех же параметрах распространяется лишь на некоторые диссипативные структуры, находящиеся в сильно неравновесных условиях. Однако, учитывая, что практически все процессы в живом организме протекают вдали от равновесия, можно предположить, что данный принцип будет все более распространяться в биологии, и особенно в энзимологии – науке о ферментах.

Ферменты, по выражению И.П.Павлова, “есть первый акт жизненной деятельности. Все химические процессы в теле направляются именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений. Все эти вещества играют огромную роль, они обуславливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни” [12]. В настоящее время в энзимологии появляется все больше данных о том, что различные ферменты, катализирующие реакции in vivo, не только связаны между собой функциональными связями, но имеют также структурно-функциональную организацию. При этом отдельные ферменты объединяются в мультиферментный комплекс, образуя пространственно оформленную систему. Как замечает известный биохимик П.Фридрих, такая пространственная координация ферментов “открывает продукту первого фермента легкий доступ ко второму ферменту”, что, с одной стороны, значительно ускоряет катализируемый процесс, а с другой – предохраняет клетку от участия промежуточного метаболита в побочных реакциях [13].

Проецируя приведенные выше положения синергетики на энзимологию, естественно ожидать, что сложные ферментные комплексы (целлюлозолитический, пируватдегидрогеназный и др.), работа которых лежит в основе протекания многих биологических процессов, могут организовываться в системы с различным уровнем активности при одном и том же количестве составляющих комплекс отдельных ферментов и одинаковых внешних условиях. Рассмотрим целлюлозолитический комплекс, в котором пространственно скоординирована работа нескольких групп ферментов, таких как эндоклюканазы, экзоглюканазы, целлобиазы, целлобиогидролазы. В таком комплексе продукт реакции одного фермента оказывается субстратом для другого. Например, целлобиоза, отщепляемая от целлюлозной молекулы целлобиогидролазой, в дальнейшем подвергается воздействию целлобиазы, которая разрушает ее до двух молекул глюкозы.

Можно предположить, что взятый в нашем примере комплекс может организовываться в единую систему несколькими различными способами при одних и тех же внешних параметрах. В таком случае вместо традиционно определяемой средней активности, графически отражаемой в виде одной линии и показывающей не существующее в действительности состояние, более информативным окажется представление данных в виде нескольких кривых линий, а может быть, и концентрических областей, сопоставленных с расчетом вероятности осуществления того или иного реального состояния.

Однако возникает вопрос, как же узнать, к одному или нескольким, и если к нескольким, то к скольким состояниям следует сводить полученные в эксперименте данные. Для ответа на этот вопрос могут оказаться полезными анализ на соответствие полученных в опыте значений исследуемого параметра (например, ферментативной активности) нормальному распределению или распределению Максвелла в зависимости от смысла конкретной ситуации и последующее вычисление количества точек в различных интервалах.

Возьмем, например, 23 результата измерения параметра у для каждого из 10 значений параметра х (рис. 1). Параметром у может быть активность целлюлозолитического комплекса, а параметром х – какой-то внешний фактор (давление, температура, рН, процентное содержание какого-то одного фермента и т.д.). На этом же рисунке изображена кривая, показывающая классическое усреднение, основанное на аксиоме существования системы лишь в одном состоянии.

Рис. 1. График, основанный на традиционном усреднении значений y

Однако попробуем для каждого значения x построить гистограммы изменений значения y, т.е. все значения у можно разбить на интервалы и отобразить количество точек в этих интервалах так, как это изображено на рис. 2, например, для x=1 и x=10.

Рис. 2. Гистограммы изменения значений y для x=1 и x=10

Затем попробуем рассортировать значения у на несколько областей, в каждой из них вычислить среднее значение и отобразить все это графически (рис. 3). Из последнего рисунка хорошо видно, что при х=6 наблюдается бифуркация и система в интервале значений х от 6 до 10 существует в двух состояниях, однако состояние с более высоким значением параметра у менее вероятно. Несколько сложнее обстоит дело с областью значений х от 3 до 5, так как при х=3 и х=5 в эту область попало всего по одной точке. Исходя из этого кажется не совсем адекватным для данного интервала отражать состояние анализируемого параметра в виде линии. Можно предположить, что в интервале значений х от 3 до 5 действительно существует особое состояние системы, но вероятность его возникновения не очень большая и представима в виде концентрической области с центром в районе х=4. По мере же отхождения от некоторого аттрактора, расположенного в этом районе, вероятность организации системы быстро уменьшается.

Рис. 3. График, построенный с учетом возможности существования
системы в трех различных состояниях

Следует отметить, что при анализе данных с учетом возможности существования системы в нескольких различных состояниях ошибка среднего для взятых в нашем примере значений снизилась в среднем на 27%.

Предложенный в приведенном примере метод анализа данных, тем не менее, порождает множество проблем, связанных, например, с возможностью доказательства того, что система, которая теоретически может существовать в нескольких состояниях, действительно так и существует, что не всегда происходит отбор лишь какого-то одного состояния. В качестве основного критерия определения реальности существования системы в нескольких состояниях используется несоответствие разброса данных традиционным распределениям. Очевидно, необходимо предложить другие варианты распределения, но это представляется возможным лишь на основе анализа большого количества экспериментальных данных.

Возможность осуществления процесса самоорганизации различными способами и методы определения вероятности становления того или иного состояния системы в практическом плане могут способствовать разработке теории воздействия на процессы самоорганизации. При этом процесс остается самоорганизацией, но изменение управляющего порядка системы повышает вероятность осуществления ее самоорганизации в нужное для нас состояние.

Известно, что диссипативные структуры чувствительны даже к предельно слабым (случайные флуктуации) воздействиям, которые приводят к необратимым качественным изменениям всей системы. Таким образом, естественно ожидать, что воздействие на систему в момент ее самоорганизации может оказаться наиболее эффективным, значительно более эффективным, чем воздействие на отдельные элементы этой системы.

Обратимся к нашему примеру из биологии. Предположим, нужно повысить активность упомянутого выше целлюлозолитического комплекса, что имеет огромное практическое значение для многих современных технологий, основанных на биоконверсии растительного сырья в ценные продукты (спирт, биогаз, белок и др.). В данном случае, если перенести изложенные выше идеи на наш пример, представляется возможным изменять активность всей системы в целом, не влияя на активность отдельных ее элементов (конкретных ферментных молекул). Очевидно, что для этого необходимо либо перевести уже работающий мультиэнзимный комплекс на границу его устойчивости, когда появляется хотя бы небольшая вероятность существования системы в состояниях с различным уровнем целлюлозолитической активности, либо осуществлять воздействие в начальный момент самоорганизации, когда при смешивании различных групп ферментов (эндоглюканазы, экзоглюканазы, целлобиогидролазы, целлобиазы) начинает устанавливаться их пространственная координация в единую систему. Как раз в этот момент такие нетрадиционные воздействия, как воздействие электрического и магнитного поля, звуковых волн и т.д., могут привести к становлению нужного состояния с наибольшей целлюлозолитической активностью.

Не вызывает сомнения тот факт, что накопление экспериментальных данных, подтверждающих возможность биологических систем существовать при одних и тех же условиях в различных состояниях, будет сопровождаться серьезной трансформацией методов математической обработки результатов и уже в ближайшее время для многих процессов, ныне представляемых графически в виде одной-единственной кривой, появятся сложные модели, показывающие лишь вероятность организации системы в достаточно большое количество состояний и уже не претендующие на полное детерминированное описание целостного живого объекта, а широкое распространение идей синергетики, вероятно, приведет к разработке целого спектра практических методов изменения системы путем воздействия на процесс ее самоорганизации. Таким образом, определив место синергетики в общем процессе трансформации научных взглядов, мы получаем возможность экстраполировать ее идеи на развитие отдельных наук, например биохимии, и в частности одного из основных ее разделов – энзимологии. Возможна аналогичная экстраполяция и на другие области научного знания.

Примечания

1. См.: Асеев В.А. Синергетика и проблема редукции биологии к физике // Вестн. Санкт-Петербург. ун-та. Сер. 6. Философия, политология, социология. – 1966. – Вып. 2. – С. 8–12; Григорьева Т.П. Синергетика и Восток // Вопр. философии. – 1997. – № 3. – С. 90–102; Климонтович И.Ю. Без формул о синергетике // Физика. – 1990. – № 2. – С. 64–70; Лоскутова А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. – М., 1990; Майцер К.М. Сложность и самоорганизация // Вопр. философии. – 1997. – С. 48–61; Половцева Г.Ф., Пойзер Б.Н. Синергетика и сопредельные науки: библиография. – Томск, 1993; Синергетика и психология / Под ред. И.Н.Трофимовой. – М., 1986; Шторенберг М.И. Синергетика и биология // Вопр. философии. – 1999. – № 2. – С. 95–108; Пригожин И.Р. Конец определенности: Время, хаос и новые законы природы. – Ижевск, 1999; Пригожин И., Николис Г. Познание сложного. – М., 1990; Пригожин И. , Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. – М., 1986; Синергетика и методы науки / Под ред. М.А.Басина. – СПб., 1998.

2. См.: Пригожин И. , Стенгерс И. Порядок из хаоса...

3. Там же.

4. См.: Разящее веретено // Поиск. – 2001. – № 22 (628).

5. Св. Григорий Палама. Триады в защиту священно-безмолвствующих / Пер., послесл., комм. В.Вениаминова. – М., 1995. (Сер. “История христианской мысли в памятниках”). – С. 120.

6. Булгаков С.Н. Философия хозяйства // Соч.: В 2 т. – М., 1993. – Т. 1. – С. 216.

7. См.: Хоружий С.С. После перерыва: Пути русской философии. – СПб., 1994. (Сер. “Наши современники”). – С. 78.

8. См.: Разящее веретено.

9. См.: Пригожин И. , Стенгерс И. Порядок из хаоса...

10. См.: Синергетика и методы науки.

11. Там же.

12. Кретович В.Л. Введение в энзимологию. – 3‑е изд. – М., 1986. – С. 5.

13. Фридрих П. Ферменты: четвертичная структура и надмолекулярные комплексы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986.

Иркутский государственный

университет, Иркутск

Kolodkin, A.N. and V.P. Salovarova. Syneregetics: the background of its genesis and possible development of its ideas in biochemistry

Basing on historico-philosophical analysis the authors show the difference between the trends of development of the western science and the eastern one as well as backgrounds of the origin of synergetics paradigm which are associated with a dawning turnabout of the western science to the East. The attempt is made to ground the logic of expansion of synergetical ideas in methodological approaches of natural sciences, especially in biochemistry. Under synergetical aspect, mathematical procedures are proposed which make possible to analyze multiple biological systems such as enzyme complexes.