Принцип самоорганизации

Для того чтобы понять, что ремонт – естественный способ покончить с одноразовым использованием вещей, мы должны убедиться, что этот принцип не изобретен человеком, а с незапамятных времен заложен природой. Восстановительные процессы известны уже в неживой природе, но только среди живых организмов они разворачиваются в полную силу. За ними стоят свойства самоорганизации и самоисцеления, без которых жизнь не могла бы возникнуть и просуществовать даже секунду.

Конечно, естественный принцип восстановления нельзя так просто взять и перенести на мир вещей: холодильник, ремонтирующий сам себя, как только он перестает морозить, по-прежнему является утопией. Еще забавнее представить, что содержимое холодильника можно было бы «восстановить»: почти выпит пакет молока, пуста банка джема, сыр съеден – короткое сообщение об ошибке, и полки снова заполнены едой. В таком мире никогда не возникло бы проблем с ломающимися кофеварками или стиральными машинами, перестающими отжимать белье.

То, что звучит для нас как абсурд, в природе оказывается естественным процессом: поврежденные системы восстанавливаются. Вспомните хотя бы такой яркий пример, как заживление ран: мы восстанавливаем себя сами, у нас включается процесс самозаживления. Это принцип самоорганизации, встречающийся прежде всего в неорганическом мире.

Горные кристаллы – замечательные однородные тела – растут, потому что составляющие их атомы самоорганизуются по законам физики. Сначала атомы беспорядочно плавают в маточном растворе, о котором писал Томас Манн в романе «Волшебная гора». Они ищут свои места в трех измерениях пространства, пока не найдут идеальное. Кристалл растет «правильно», только если составляющие его секстиллионы атомов занимают правильную позицию.

И тут возникает вероятность ошибки, случающейся из-за неправильного соединения атомов и молекул. Отдельные атомы пристыковываются на неверном расстоянии, «встают» в некорректном положении. В маточном растворе мог находиться неправильный атом или молекула с призывом: «Помогите, я не туда приземлился!» В большинстве случаев такая ошибка будет исправлена. Иначе не существовало бы прекрасного горного хрусталя, состоящего из числа атомов 10 в 23-й степени. Да, да, вы не ошиблись, читая «единица с двадцатью тремя нулями». Эту цифру нереально представить.

«Ремонт неисправностей» работает на основе самоорганизации. Так как в природе все происходит по принципу минимизации энергии, кристалл определяет, что для отдельных атомов существуют энергетически выгодные позиции, и «ставит» их именно на эти позиции.

Минимизация энергии – это высший естественный принцип: так, если я брошу апельсины в ящик и потрясу его, то фрукты плотно улягутся на свои места. Это мы наблюдаем на овощном рынке. Оптимальный способ упаковки достигается тем, что после тряски энергетически неблагоприятные позиции смещаются, и плоды занимают упорядоченное положение. Аналогично в растворе из-за теплового движения частиц «трясет» и растущий кристалл, который, однако, «запоминает» выгодные позиции. Кристаллы возникли на Земле около 3,8 миллиарда лет назад, став первой упорядоченной структурой планеты и первым шагом к развитию жизни. Таким образом, атомное конструирование – физический принцип, а кристаллы – «шаблон», на поверхности которого зародилась жизнь.

Будучи студентом инженерного факультета, я проходил практику в компании Siemens, где выращивал кристаллы кремния. Передо мной стояла задача физическим методом запустить природные процессы, чтобы удалить весь «мусор» – ненужные, неправильные атомы, еще присутствующие в кристаллах. Смысл такого процесса, называемого очисткой методом зонной плавки, заключался в том, чтобы исправлять ошибки при выращивании и в результате получать чистые кристаллы кремния. Полупроводниковая электроника, элементы солнечной батареи, кристаллы транзистора и другая техника – все работает только потому, что в процессе производства удаляют «грязные» атомы, а затем добавляют посторонние, но нужные.

Принцип энергетической минимизации и самоорганизации применяется и для подгонки определенных свойств материалов. Вспомним легирование полупроводниковых кристаллов, сделавшее возможным создание всей полупроводниковой электроники.

Важно, что природа делает ошибки, которые, однако, сама частично исправляет.

Поскольку всякая неживая материя использует принцип «ремонта» дефекта, такое развитие свойственно всем веществам на нашей планете. Без функции самовосстановления не смогла бы образоваться Земля, а в отсутствие принципа минимизации энергии, самоорганизации и восстановления после ледникового периода не возникло бы человечество.

 

Возникновение жизни

Как и у неорганических молекул горного хрусталя, молекулы в живых системах тоже связаны друг с другом. В так называемом первичном бульоне самоорганизуются исходные молекулы, такие как аминокислоты и молекулы ДНК.

Таким образом и был создан простой генетический код и первые полипептиды, затем отделившиеся и образовавшие трехмерные системы из кодов ДНК и белков.

Но все-таки как именно возникла жизнь?

Этим вопросом задавался Гёте. Его волновало, как из мертвого материала возникает живой: почему, к примеру, из разлагающейся материи через некоторое время выползают черви? Гёте верил в vis vitalis – жизненную силу, присущую и неодушевленным материалам. Ее существование позже опроверг французский химик Луи Пастер, доказав, что в стерильной среде не могут возникнуть живые организмы. За это он удостоился почетной премии французской Академии наук, что якобы раз и навсегда сняло вопрос о самозарождении жизни из неживой материи. Как хотите, но Пастер несправедливо получил награду, ведь жизнь на молодой планете Земля зародилась спонтанно, и Пастер не сумел объяснить данный факт.

Давайте в поисках «жизненных сил» взглянем на дерево. Откуда оно знает, что наступила весна и пора пускать ростки? Может, дело в том, что на улице становится светлее и теплее? Есть ли у дерева термометр? И почему, например, эдельвейс растет в скудной гористой местности? В земле в беспорядочном виде находятся различные молекулы, а в воздухе хаотично витает углевод в виде молекул диоксида углерода. Можно сказать, что эдельвейс способен поглощать молекулы из воздуха – углекислый газ – и молекулы из почвы – воду и минералы, – и это все наполняет цветок жизненными силами. Какой будет у растения цвет, какое количество листьев, решает не один атом, а комбинация нескольких. Как все это происходит у деревьев? Можно подумать, что такая информация заложена в их ДНК, но генетика дает лишь грубые инструкции, а остальное зависит от удивительной способности к самоорганизации. Гены не определяют, какое именно место должен занять каждый атом в трехмерном пространстве. Генетический код – это нечто большее, чем готовая копия. Он заранее определяет, что клеточная мембрана, например, поднимется наверх, но не диктует, куда точно направится каждая молекула жира и белка.

На главный вопрос о возникновении жизни генетика не может ответить. Найти точный ответ – увлекательная и особая тема для исследователей. Он таится в принципах самоорганизации и восстановления: на юной Земле царила атмосфера с большим количеством химических компонентов, например, присутствовала геотермальная энергия и энергия молний. Множество молекул встречались, связывались друг с другом согласно химическим правилам и принципу минимизации энергии. При определенных условиях плотности, концентрации и температуры случайным образом в качестве предпосылки для зарождения жизни возникли необходимые ДНК-базы – четыре буквы генетического кода. Теоретически соединиться могли миллиарды комбинаций других молекул. Но появились именно эти четыре. Почему? Ответ прост: они оказались энергетически удобными. Другие появляющиеся комбинации были ошибочными, поэтому во время спонтанного процесса синтеза исправлялись и стали «правильными» четырьмя молекулами. Эти четыре молекулы способны формировать основу распознающей системы, кодировать, создавать и воспроизводить аминокислоты и белки – за счет чего и возможна сама жизнь.

Так как принципы самоорганизации и энергоминимизации универсальны, этот процесс мог возникнуть в любом другом месте Вселенной или просто не состояться. Во всяком случае, в этом уверены как я, так и мои коллеги из Планетарного общества в Пасадене, пытающиеся обнаружить внеземную жизнь.

Без сил самовосстановления природы не было бы живых существ, в том числе и человека. В человеческих клетках при считывании генетического кода постоянно происходят ошибки и возникают повреждения ДНК, например, из-за космического излучения или из-за высокоэнергетического света (остерегайтесь продолжительных сеансов в солярии!). Но в то же время каждую секунду в каждой клетке внутри цепочки ДНК восстанавливается неисправная молекула. Включаются в работу ферменты самовосстановления, целый класс специальных белков, за счет которых жизнь «ремонтирует» сама себя.

 

Границы ремонта

Природа исправляет все неполное, неидеальное или сломанное. Но цель ее – не достичь абсолютного совершенства, ибо в результате может образоваться система, не способная к дальнейшему развитию. Встроенные источники повреждений – ошибок природы – составляют основу для мутаций, для изменения нашего генома. Правда, большинство мутаций для растений, животных и людей вредно, но некоторые оказались ключевыми для выживания. Они предоставили возможности для продолжения развития жизни и создания новых форм существования. Таким образом в процессе эволюции возникало и увеличивалось разнообразие видов.

Природа и сейчас все время что-то исправляет, потому что ошибки и мутации возникают постоянно.

И все же способность к восстановлению заканчивается на уровне отдельного организма: возникают болезни. Ошибки в структуре и в функциях живой системы, начиная с определенного момента, нельзя исправить. Почему люди не могут жить вечно, а должны умирать? Потому что восстановление имеет естественные границы. Современная теория гласит: чем старше хромосомы, или структуры ДНК-связывающих протеинов, где находятся гены и наследственная информация, тем больше ошибок происходит в их воспроизводстве. Снижается активность ферментов, отвечающих за восстановление. Нужно принимать во внимание и возраст человека, так как с годами на концах хромосом накапливается множество ошибок. Образ жизни также сказывается на количестве подобных ошибок: например, негативное воздействие радиоактивного излучения или химических ядов (в частности, содержащихся в никотине) увеличивает их число. В свою очередь, здоровый образ жизни: правильное питание и баланс между физической и интеллектуальной нагрузками – продлевают способность к восстановлению.

Кроме восстановления в природе имеется и переработка – рециркуляция. Элементы – строительные блоки – возникли в недрах звезд, после вспышки сверхновой разнеслись в виде звездной пыли по Вселенной, аккумулировались на Земле, создали тяжелые элементы и все сущее в природе. При этом конструктивным принципом живой материи стали слабые химические соединения, такие как мостиковые водородные связи. Они способствуют восстановлению и возникновению нового, а также устойчивости к сбоям при самоорганизации. Большим недостатком этого вида связи является ее распад. У человека распад происходит после смерти. А для жизни в целом из нас может возникнуть и нечто новое. В какой-то мере мы будем «переработаны». Может быть, это чисто материалистическая основа другой интерпретации идеи возрождения.

Принцип восстановления проявляется не только в природе, но и в истории человечества от неандертальцев до современности: используемые инструменты были настолько ценными, что их хранили как можно дольше. Однако этот тесный эмоциональный контакт с предметами в последние десятилетия был утрачен. Об этом – в следующей главе.