Виктор Глушков. “Флуктуационная системология”

Малоизвестная статья выдающегося советского математика академика Виктора Михайловича Глушкова (1923-1982) посвящённая главным образом системным вопросам происхождения жизни, была впервые опубликована в киевском журнале “Кибернетика”, 1979, № 2, стр. 114—115. Воспроизвожу её текст по изданию: Глушков В.М. Кибернетика. Вопросы теории и практики. — М.: Наука, 1986, стр. 470-475.

Впечатляющую широту научных интересов одного из создателей Интернета и электронно-вычислительных машин подчеркнул в своих воспоминаниях его друг и коллега — академик Владимир Сергеевич Михалевич (1930-1994): “В.М. Глушков уделял много внимания философским аспектам кибернетики. Наряду с разработкой методологического обоснования кибернетических исследований он много работал и в области нетрадиционной философии. Одна за другой появлялись в печати его работы по флуктуационной системологии, парапсихологии, теории рака, возникновению Вселенной и другие“.

Предлагаемое вашему вниманию блистательное эссе украинского учёного напоминает по своему сжатому и увлекательному изложению кардинальных вопросов бытия гениальную статью “Космология духа”, написанную великим советским философом Эвальдом Васильевичем Ильенковым (1924-1979).  Стремление придать дополнительный импульс системологическим изысканиям в области биологии посредством этого сочинения В.М. Глушкова ясно обозначено его утверждением о том, что “наиболее трудным для объяснения, тем более для воспроизведения в лабораторном эксперименте, является процесс возникновения клетки“.

А его приверженность принципам историзма, неприятие разного рода псевдонаучных и религиозных догм очевидным образом сформулированы в следующей цитате: “Если гипотеза о флуктуационном механизме происхож­дения жизни на Земле верна, то легко объясним тот факт, что до сих пор не удалось воспроизвести его эксперименталь­но. Ссылка на какие-то “особые” условия, существовавшие на Земле в момент возникновения на ней жизни, не выдержи­вает критики, поскольку в современной лаборатории можно воспроизвести все мыслимые физико-химические усло­вия. Невоспроизводимы лишь временные и пространственные масштабы великого эксперимента, породившего жизнь“.

То есть, Виктор Михайлович, не отрицая теоретическую возможность искусственного создания живой материи в лабораторных условиях, всё же склоняется к мысли о практической неосуществимости этого эксперимента из-за невозможности воспроизведения грандиозных пространственно-временных масштабов, необходимых для появления живой материи. Данный вывод находит своё подтверждение, например, в сфере лингвистики. Теоретически возможно создание искусственных языков вроде эсперанто или волапюка. Но эти средства человеческого общения не идут ни в какое сравнение с полноценными языками, которые не были произвольно созданы кем бы то ни было, а являются продуктом длительного исторического развития того или иного народа, разворачивающегося подчас на обширной территории.

Ведь, скажем, пьеса Уильяма Шекспира или рассказ Мухтара Ауэзова — это не просто комбинация слов, осуществлённая в соответствии с теми или иными правилами грамматики. Данные литературные памятники являют собой итог многовекового развития национальной культуры, базирующейся на живительном фундаменте фольклора и впитавшей в себя классические образцы словесности Запада и Востока. Эти долговременные процессы локального этногенеза и международного культурного сотрудничества априори нельзя воспроизвести в ограниченных лабораторных условиях.

ФЛУКТУАЦИОННАЯ СИСТЕМОЛОГИЯ

Наука о системах — системология — в начальный период своего развития имела дело главным образом с техническими системами, то есть с такими системами, которые являются результатом сознательной деятельности человека. Проблемы проектирования, изготовления и наладки сложных техниче­ских систем составили предмет специального раздела техни­ческих наук, получившего наименование системотехники. В то же время для систем естественного происхождения (биологических, биохимических и других) системология до сих пор ограничивается преимущественно изучением их строения и функционирования, так сказать, в готовом виде. История же их возникновения и становления с позиций системологии (общей теории систем) изучалась до сих пор недостаточно. Совершенно не рассматривался, например, с этих позиций такой важный и интересный вопрос, как происхождение жизни.

В настоящем сообщении предлагается новый подход к изучению механизмов возникновения и становления систем естественного происхождения с позиций теории флуктуаций. Как известно, теория флуктуаций родилась и развивалась в рамках статистической физики. Одним из первых её результатов явилось установление факта существования случайных локальных уплотнений в газовой среде, которые получили название флуктуаций. Они возникают в результате случай­ной концентрации в малом объеме хаотически движущихся молекул. Срок жизни каждой такой флуктуации весьма мал: образование уплотнения вызывает локальное увеличение давления, что, в свою очередь, приводит к быстрому разлёту создавших уплотнение “лишних” молекул. В силу закона больших чисел в достаточно большом объёме газа с вероятностью, пренебрежимо мало отличающейся от единицы, постоян­но существует в любой данный момент определённое число флуктуаций, однако время существования каждой отдельной флуктуации ничтожно мало. Это обстоятельство является характерной чертой классической теории флуктуаций.

Сделаем теперь новый шаг, вводя понятие системной флуктуации. От понятия классической флуктуации оно отличается тем, что системная флуктуация является устойчивым образованием — системой с относительно длительным периодом существования.

Для уточнения понятия системной флуктуации прежде всего необходимо точно охарактеризовать возникающую в результате такой флуктуации систему. Рассматриваемые здесь системы характеризуются, во-первых, пространствен­ной конфигурацией этих элементов в системе. Кроме того, может быть задан дополнительно закон распределения времени существования системы.

Далее необходимо охарактеризовать системную среду, в которой образуются системы в результате её случайных флуктуаций. Эта среда характеризуется прежде всего своим пол­ным объёмом и средними плотностями концентрации элемен­тов различных типов (предполагается, что в среде имеются элементы всех типов, которые нужны для образования систе­мы). Кроме того, необходимо задать характеристики случай­ных процессов, которые представляют собой векторы скоро­стей движения в среде элементов различных типов (чаще всего в естественных системах это броуновское движение).

Следующая составная часть определения (дополняющая и расширяющая определение системы) — характеристика областей в фазовом пространстве (координат и скоростей движения элементов), при попадании в которые происходит “сце­пление” элементов в системы.

В более тонких случаях приходится дополнительно учитывать законы взаимодействия элементов, способствующие или препятствующие образованию систем. Например, боль­шая флуктуация в газовой среде может в принципе создать такую неоднородность распределения масс, что силы тяготе­ния преодолеют силы, вызывающие разлёт молекул. В резуль­тате этого флуктуация будет развиваться дальше, “выметая” молекулы газа из окрестности флуктуации, что приводит в конечном счёте к образованию звезды или так называемой чёрной дыры.

Учёт сил системного сцепления (а не только простейших закономерностей теории идеальных газов) вводит определённую коррекцию в методику применения второго начала тер­модинамики. В частности, нужно учитывать, что при нали­чии таких сил вследствие действия закона больших чисел в среде, содержащей достаточно много элементов, с большой вероятностью будет поддерживаться определённый уровень системной организации. Иными словами, энтропия среды стремится не к абсолютному максимуму, а колеблется во­круг некоторой величины, меньшей этого максимума. Эта величина может быть фактически определена в результате сопоставления двух вычисляемых величин, а именно средней длительности Т существования систем и математического ожидания n₀ числа систем, возникающих в результате флуктуаций среды в единице объема за единицу времени.

При малом уровне системной организации среднее число Nср систем в объёме V в любой данный момент времени будет выражаться простой формулой Nср = n₀ vT.

В случае, когда система составляется из устойчивых подсистем, флуктуационный процесс может быть ступенчатым: в результате флуктуаций в среде, состоящей из элементов, возникает среда, содержащая подсистемы. Из этих подсистем в результате флуктуаций второго уровня возникают системы, из этих систем — ещё более сложные системы и так дале. Особо высокий уровень системной организации среды в результате подобного процесса может быть достигнут в том случае, когда возникшие случайно системы начинают размножаться и развиваться.

Весьма правдоподобно, например, что жизнь на Земле возникла именно в результате такого иерархического флуктуационного процесса. Как известно, наиболее трудным для объяснения, тем более для воспроизведения в лабораторном эксперименте, является процесс возникновения клетки.

Расчёты показывают, что при достаточно разумных предположениях относительно концентрации первичных элементов (молекул белков и нуклеиновых кислот) в поверхностных сло­ях мирового океана в течение сотен миллионов лет вероят­ность возникновения устойчивой системы любой конфигура­ции из нескольких десятков таких элементов практически равна единице. Если такие устойчивые системы существуют, то цикл флуктуации второго уровня при тех же пространст­венных и временных масштабах может также с вероятностью, практически равной единице, породить любую их устойчи­вую комбинацию, состоящую из десятков подсистем. Но в таких комбинациях будет насчитываться уже несколько ты­сяч первичных элементов, что, по-видимому, достаточно для получения простейших клеток.

Такой двуступенчатый флуктуационный цикл оказывает­ся теоретически возможным при применении голого вероятностного подхода без введения каких-либо дополнительных сил (действующих на расстояниях порядка размеров клетки и более), которые помогали бы процессам сцепления элемен­тов в устойчивые системы и подсистемы, при наличии таких сил возможно обойтись и одним уровнем флуктуационной иерархии.

Решающую роль для положительного исхода подобного “флуктуационного” (естественного) эксперимента играют его масштабы. Будучи повторён в обычных лабораторных масштабах (в пробирке или колбе на протяжении месяцев и даже лет) этот эксперимент не приведёт к успеху практически с той же достоверностью, что и большой естественный эксперимент. При концентрации элементов в среде примерно на k десятичных порядков ниже их концентрации в системе полу­чаем в ограниченном эксперименте приблизительно ту же вероятность, что и в большом, но для числа элементов, меньшего на m = (1/k) (lg T/t + lg V/v), где (T, V) и (t, v) — соответственно время и объем большого и малого экспериментов. Если k = 1, а масштаб эксперимента уменьшить, скажем, с Т = 100 млн. лет до t = 1г с V = 100 млн. км³ (примерно 300-метровая толщина вод современного океана) до v = 1 л, то величина m будет равна 8+26 = 34. Подобное уменьшение числа элементов можно вывести из класса устойчивых си­стем, что и приводит к отрицательному исходу экспери­мента.

Если гипотеза о флуктуационном механизме происхож­дения жизни на Земле верна, то легко объясним тот факт, что до сих пор не удалось воспроизвести его эксперименталь­но. Ссылка на какие-то “особые” условия, существовавшие на Земле в момент возникновения на ней жизни, не выдержи­вает критики, поскольку в современной лаборатории можно воспроизвести все мыслимые физико-химические усло­вия. Невоспроизводимы лишь временные и пространственные масштабы великого эксперимента, породившего жизнь.

Разумеется, гипотеза не исключает воспроизведения когда-либо живой клетки в лаборатории методами, в чём-то напоминающими сознательное создание человеком различного
рода технических систем. Гипотезу эту можно опровергнуть, лишь получив естественные условия устойчивого воспроизводства клеток из смесей белков, нуклеиновых кислот и дру­гого первичного клеточного строительного материала. Ещё
более интересным было бы экспериментальное определение всех величин, необходимых для точных подсчётов вероятнос­ти возникновения первой клетки в результате флуктуацион­ных процессов. Ведь не исключено, что эта вероятность много больше, чем в оценке, сделанной автором даже в современных условиях. С точки зрения флуктуационной системологии (в данном случае флуктуационной биологии) известные опы­ты Пастера вовсе не доказывают абсолютной невозможности самозарождения клетки в изученных им условиях. Они доказывают лишь чрезвычайно малую вероятность такого явления в тех масштабах, в которых проводился эксперимент. Возможно, что при достаточно больших масштабах эксперимента результат будет иной.

Именно для определения этих масштабов и нужна уточнённая априорная оценка вероятностей срабатывания флуктуационного механизма. Ситуация здесь напоминает ситуа­цию с экспериментами по улавливанию нейтрино. Лишь априорные оценки вероятности взаимодействия нейтрино с веществом позволили определить должные масштабы эксперимента для надёжного решения этой задачи. Без таких оценок опыты, производимые в малых масштабах, могли бы дать по отношению к нейтрино столь же убедительно отрицательные результаты, как и опыты Пастера по отношению к явлению самозарождения жизни.

Аналогично флуктуационной биологии может представить интерес и флуктуационная химия. Правда, применительно к расширенному толкованию флуктуационного механизма (с учётом сил межмолекулярного и межатомного взаимодейст­вия) все химические реакции можно рассматривать с флуктуационной точки зрения. Но действительный интерес предста­вляли бы в первую очередь те случаи, где идёт флуктуацион­ный процесс накопления сложных устойчивых молекул вещества, получающегося из вещества среды в результате эндотермических реакций. Поскольку такие процессы должны протекать весьма медленно, для их обнаружения в заметных масштабах должны использоваться соответственно и широко­масштабные эксперименты.

Не исключено, разумеется, что процессы естественной случайной диссоциации подобных сложных молекул проте­кают настолько быстро, что их накопление в сколько-нибудь заметных количествах вовсе не может произойти. Во всех случаях, однако, было бы весьма полезно рассмотреть подобные процессы с точки зрения флуктуационной системологии в теоретическом плане, произведя необходимые вероятност­ные оценки.

Likes(0)Dislikes(0)