Дельфис

Глава 3. Причины Формы

3.1. Описательное и экспериментальное исследование

Неочевидно, что форма вообще представляет какую-то проблему.

Окружающий нас мир полон форм; мы узнаём их в каждом акте восприятия. Но мы легко забываем, что существует глубокая пропасть между этим аспектом нашего опыта, который мы воспринимаем просто как само собой разумеющееся, и количественными факторами, которыми занимается физика — массой, моментом, энергией, температурой, давлением, электрическим зарядом и т.д.²

Соотношения между количественными факторами физики может быть выражено математически, и физические изменения могут быть описаны с помощью уравнений. Эти уравнения возможны потому, что сохраняются фундаментальные физические величины, в соответствии с принципами сохранения массы и энергии, момента, электрического заряда и т.д.: общее количество массы и энергии, момента, электрического заряда и некоторых других величин перед данным физическим изменением равно их общему количеству после него. Но форма не входит в эти уравнения: она не является векторной или скалярной величиной, и она не сохраняется. Например, если букет цветов брошен в печь и превратился в пепел, общее количество вещества и энергии остаётся тем же, но форма цветов просто исчезает.

Физические величины могут быть измерены инструментами с высокой степенью точности. Но формы не могут быть измерены в количественных единицах, да этого и не нужно, даже учёным. Ботаник не измеряет различие между двумя видами по показаниям шкалы прибора; и энтомолог не распознает бабочек с помощью какого-либо механизма, как и анатом — кости, а гистолог — клетки. Все эти формы распознаются непосредственно. Затем образцы растений сохраняются в гербариях, бабочки и кости — в шкафах, а клетки — на предметных стёклах микроскопа. Как формы, они просто являются сами собой; их нельзя свести к чему-либо ещё. Описание и классификация форм фактически являются главной задачей многих областей науки; даже в точной науке, такой как химия, главная цель состоит в определении форм молекул, представляемых в виде диаграмм как двумерные «структурные формулы» или как трёхмерные модели типа «шарики и палочки».

Формы почти всех простейших систем могут быть представлены только визуально, в виде фотографий, рисунков, диаграмм или моделей. Их нельзя представить математически. Даже наиболее продвинутые топологические методы ещё недостаточно разработаны, чтобы давать математические формулы, скажем, жирафа или дуба. Некоторые из новых методов, разработанных Р.Томом и другими, со временем, возможно, могут быть использованы для решения подобных проблем, но здесь есть математические трудности не только практического, но и принципиального характера³.

Если простое описание даже простейших статических форм представляет математическую проблему ужасающей сложности, то описание изменения формы, или морфогенеза, ещё труднее. Это предмет созданной Томом «теории катастроф», которая классифицирует и описывает в общих терминах возможные типы изменения форм, или «катастрофы». Он применяет свою теорию к рассмотрению проблем морфогенеза, конструируя математические модели, в которых конец или цель морфогенетического процесса, конечная форма, представлена «аттрактором» в морфогенетическом поле. Он постулирует, что каждый объект, или физическая форма, может быть представлена таким аттрактором и что весь морфогенез «может быть описан через исчезновение аттракторов, представляющих начальные формы и их замещение путём захвата аттракторами, представляющими конечные формы»⁴.

Для разработки топологических моделей, которые соответствуют частным морфогенетическим процессам, найдены формулы в результате сочетаний проб и ошибок с вдохновенными догадками. Если математическое выражение даёт слишком много решений, в него должны быть введены ограничения; а если функция слишком ограничена, вместо неё используется более общая функция. С помощью подобных методов Том надеется со временем получить возможность построить топологические выражения, которые соответствуют деталям реальных морфогенетических процессов. Но даже если эта надежда оправдается, такие модели, вероятно, не позволят делать количественные предсказания. Их главная ценность в том, что они смогут привлечь внимание к формальным аналогиям между различными типами морфогенеза⁵.

На первый взгляд, для этого топологического подхода кажется наиболее приемлемым математический формализм теории информации. Но на самом деле область применения теории информации весьма ограничена. Изначально она была разработана инженерами телефонных устройств в связи с передачей посланий от источника, через канал, к приёмнику; она занималась главным образом исследованием того, как характеристики канала влияют на количество информации, которая может быть передана за данное время. Один из основных результатов состоит в том, что в закрытой системе приёмнику не может быть передано информации больше, чем содержалось в источнике, хотя форма информации может быть изменена, например, от точек и тире азбуки Морзе можно перейти к словам. Информационное содержание события определяется не тем, что случилось, но лишь по его отношению к тому, что могло бы случиться вместо него. Для этого обычно используются бинарные символы, и тогда информационное содержание передаваемого образа определяется числом положительных или отрицательных решений, которое требуется для выбора класса этого образа среди известного числа классов.

В биологии эта теория имеет некоторое отношение к количественному исследованию передачи импульсов нервными волокнами. В меньшей степени она относится к передаче последовательности оснований ДНК родителей к ДНК их потомства. Хотя даже в таком простом случае она может приводить к серьёзным ошибкам, поскольку в живых организмах случаются события, которые не происходят в телефонных проводах: мутации генов, инверсии частей хромосом, транслокации и др. Но теория информации не приложима к биологическому морфогенезу: она рассматривает лишь передачу информации в закрытых системах и не может допустить, чтобы при этом происходило увеличение количества информации⁶. Развивающиеся же организмы — это не закрытые системы, и их развитие эпигенетично, то есть сложность формы и организации возрастает. Впрочем, механистически мыслящие биологи часто говорят о «генетической информации», «позиционной информации» и т.д., как будто эти термины имеют какое-то вполне определённое значение, это не более, чем иллюзия: они лишь заимствуют жаргон теории информации, пренебрегая её научной строгостью.

Однако, даже если бы каким-либо методом могли быть построены достаточно детальные математические модели морфогенетических процессов и даже если бы они давали предсказания, согласующиеся с экспериментальными фактами, всё же оставался бы вопрос, чему эти модели соответствуют. Тот же вопрос ставится самим фактом согласия математических моделей с эмпирическими наблюдениями в любой области науки.

Один из ответов даёт математический мистицизм пифагорейского типа: считается, что Вселенная зависит от фундаментального математического порядка, который каким-то образом порождает все эмпирические феномены; этот трансцендентный порядок выявляется и становится доступным пониманию только с помощью математических методов. Несмотря на то, что такая позиция редко высказывается в явном виде, она пользуется большим влиянием в современной науке и, более или менее завуалированная, часто встречается среди математиков и физиков.

Другой вариант ответа состоит в том, что соответствие моделей эксперименту объясняется тенденцией ума искать и находить порядок в опыте: упорядоченные структуры математики, будучи творениями человеческого ума, накладываются на опыт, и те из них, которые не согласуются с опытом, отбрасываются; таким образом, в результате процесса, напоминающего естественный отбор, сохраняются математические формулы, которые дают наилучшее соответствие. С этой точки зрения, научная деятельность направлена лишь на разработку и эмпирическую проверку математических моделей для более или менее изолированных и определяемых объектов нашего мира; а значит, она не может привести к фундаментальному пониманию реальности.

Однако в отношении проблемы формы существует подход иного типа, который не нуждается ни в принятии пифагорейского мистицизма, ни в отказе от возможности объяснения. Если формы вещей должны быть поняты, они могут быть объяснены не обязательно на языке чисел, но с помощью более фундаментальных форм. Платон считал, что формы в мире чувственного опыта подобны несовершенным отражениям трансцендентных, архетипных Форм или Идей. Но эта доктрина, испытывающая сильное влияние мистицизма пифагорейцев, не могла объяснить, как вечные Формы относятся к миру изменчивых явлений. Аристотель полагал, что эту проблему можно разрешить, рассматривая формы вещей скорее как имманентные, нежели как трансцендентные: специфические формы не только были присущи объектам, но фактически были причиной того, что объекты принимали характерные формы.

Такая альтернатива пифагорейскому мистицизму была предложена в современных немеханистических теориях морфогенеза. В системе Дриша, которая явно опиралась на систему Аристотеля, специфические формы живых организмов возникают в результате действия неэнергетического фактора, энтелехии (см. гл. 2. — Ред.). Морфогенетические поля и хреоды органицис- тов играют подобную же роль для морфогенетических процессов, ведущих к созданию специфических конечных форм. Но природа этих полей и хреод до сих пор оставалась неясной.

Эта неясность может быть отчасти обусловлена платоновской тенденцией в большей части организмической мысли⁷, наиболее отчётливо представленной в философской системе Уайтхеда, который постулировал, что все подлинные события включают то, что он назвал Вечными Объектами; последние в совокупности образуют сферу возможностей — включают все возможные формы; действительно, они сильно напоминают платоновские Формы⁸. Но очевидно, метафизическое понятие метафизических полей, как аспектов платоновских Форм или Вечных Объектов, не особенно ценно для экспериментальной науки. Только если они рассматриваются как физические сущности, которые производят физические эффекты, они могут помочь прийти к научному пониманию морфогенеза.

Организмическая философия включает биологию и физику; следовательно, если принимается, что морфогенетические поля играют причинную роль в биологическом морфогенезе, они должны играть причинную роль и в морфогенезе более простых систем — кристаллах, молекулах. Подобные поля не признаются в существующих физических теориях. Поэтому важно исследовать вопрос о том, в какой степени принятые теории способны объяснить морфогенез чисто химических систем. Если они могут обеспечить адекватное объяснение, тогда идея морфогенетических полей не представляет интереса; но ее- ли не могут, тогда открыт путь для новой гипотезы причинности формы через морфогенетические поля, как в биологических, так и в небиологических системах.

3.2. Форма и энергия

В ньютоновской физике вся причинность рассматривалась на языке энергий, с позиций принципа движения и изменения.

Все движущиеся вещи имеют энергию — кинетическую энергию движущихся тел, тепловые колебания и электромагнитное излучение, и эта энергия может вызывать движение других тел. Покоящиеся вещи также могут обладать энергией, а именно, потенциальной, обусловленной их стремлением к движению; они покоятся лишь потому, что их удерживают силы, которые противостоят этому стремлению.

Предполагалось, что гравитационное притяжение зависит от силы, которая действует на расстоянии, вызывая движение тел или сообщая им стремление к движению, потенциальную энергию. Однако причина существования самой силы притяжения оставалась неизвестной. В противоположность этому, сейчас гравитационные и электромагнитные явления объясняются на языке полей. В то время, как ньютоновские силы мыслились возникающими каким-то неизвестным образом из материальных тел и распространяющимися из них в пространстве, в современной физике первичными являются поля: они лежат в основании материальных тел и пространства между ними.

Картина усложняется тем, что имеются поля различных типов. Во-первых, гравитационное поле, которое в общей теории относительности Эйнштейна приравнивается к пространству-времени и считается, что искривляется в присутствии вещества. Во-вторых, электромагнитное поле, в котором локализованы электрические заряды и через которое электромагнитные излучения распространяются в виде вибрационных возмущений. Согласно квантовой теории, эти возмущения есть подобные частицам фотоны, связанные с дискретными квантами энергии. В-третьих, в квантовой теории поля, создаваемого веществом, субатомные частицы рассматриваются как кванты возбуждения материальных полей. Каждый сорт частиц имеет свой особый вид поля: протон — это квант протон-антипротонного поля, электрон — квант электрон-позитронного поля и так далее.

В этих теориях физические явления объясняются с помощью сочетания двух концепций — пространственных полей и энергии, а не только лишь на языке энергий. Таким образом, хотя энергия может считаться причиной изменения, порядок изменения зависит от пространственной структуры полей. Эти структуры производят физические эффекты, но сами по себе не являются видами энергии; они действуют как «геометрические», или пространственные, причины. Принципиальное различие между этой идеей и представлением об исключительно энергетической причинности иллюстрируется контрастом между теориями гравитации Ньютона и Эйнштейна: например, согласно первой теории, Луна движется вокруг Земли потому, что притягивается к ней силой притяжения; согласно второй, Луна совершает это, поскольку искривлено само пространство, в котором она движется.

^{Рис. 1. Диаграмма, представляющая нестабильное (а), стабильное (b) и отчасти стабильное (с) состояния}

Современное понимание структуры химических систем зависит от представлений квантовой механики и электромагнетизма; гравитационные эффекты очень малы и ими можно пренебречь. Возможные способы соединения атомов друг с другом даются известным из квантовой механики уравнением Шредингера, которое позволяет рассчитывать орбитали электронов на языке вероятностей; в квантовой теории поля вещества эти орбитали могут рассматриваться как структуры в электрон-позитронном поле. Но поскольку электроны и ядра атомов несут электрический заряд, они также связаны с пространственными структурами электромагнитных полей и, следовательно, с потенциальными энергиями. Не все возможные пространственные сочетания данного числа атомов имеют одинаковую потенциальную энергию, и только сочетание с наименьшей потенциальной энергией будет стабильно по причинам, указанным на рис. 1. Если система находится в состоянии с энергией большей, чем в возможных альтернативных состояниях, то любое малое смещение (например, из-за теплового возбуждения) приведёт к её переходу в иное состояние (а). Если же она находится в состоянии с энергией меньшей, чем в возможных альтернативных состояниях, то после небольшого смещения она вернётся в это исходное состояние, стабильное (b). Система может также временно находиться в состоянии, которое не является наиболее стабильным, и до тех пор, пока она не сдвинута выше некоторого «порогового» уровня (с); когда это случается, она переходит в более стабильное состояние с меньшей энергией.

Энергетические соображения определяют, какое состояние химической структуры является наиболее стабильным, но они не объясняют пространственные характеристики состояния. Эти характеристики представлены на рис. 1 как линии, по которым катится шарик и которые действуют как барьеры, ограничивающие его движение, а барьеры зависят от пространственных структур, образуемых полями вещества и электромагнетизма.

Согласно второму закону термодинамики, спонтанные процессы в закрытой системе стремятся к состоянию равновесия; когда это происходит, изначальные различия в температуре, давлении и т.д. между различными частями системы стремятся к нулю. На техническом языке, энтропия изолированной макроскопической системы либо остаётся постоянной, либо возрастает.

Значение этого закона в популярных изданиях часто преувеличивается; в частности, термин «энтропия» употребляется как синоним «беспорядка». Тогда возрастание сложности организации, происходящее в процессе эволюции и развития живых организмов оказывается противоречащим принципу возрастания энтропии. Это затруднение возникает из-за непонимания границ применения пауки термодинамики. Во-первых, термин применим только к закрытым системам, тогда как живые организмы — системы открытые, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Во-вторых, он имеет дело лишь с внутренними отношениями между теплом и другими формами энергии, то есть применим к энергетическим факторам, которые влияют на химические и биологические структуры, но сам по себе этот термин не объясняет возникновения этих структур. И в-третьих, техническое определение энтропии слабо связано с каким-либо не техническим понятием беспорядка; в частности, оно не имеет отношения к порядку того типа, который существует в химических и биологических системах. Согласно третьему закону термодинамики, энтропии всех чистых твёрдых кристаллических веществ равны нулю при абсолютном нуле температуры. С термодинамической точки зрения, они совершенно «упорядочены», поскольку в этом случае нет беспорядка, обусловленного тепловым возбуждением. Но все они упорядочены одинаково: нет различия в энтропии между простым кристаллом соли и кристаллом чрезвычайно сложной органической макромолекулы, такой как гемоглобин. Это означает, что большая структурная сложность последней не может быть измерена с помощью энтропии.

Контраст между «порядком» в смысле химической или биологической структуры и термодинамическим «порядком» вследствие неравных температур и т.д. в большой системе, состоящей из бесчисленных атомов и молекул, можно проиллюстрировать на примере процесса кристаллизации. Если раствор соли в сосуде поместить в охлаждаемый объём, то при охлаждении раствора соль кристаллизуется. Вначале составляющие его ионы были равномерно распределены в растворе, но когда происходит кристаллизация, они упорядочиваются в кристаллах, и сами кристаллы также упорядочиваются, образуя макроскопические симметричные структуры. С морфологической точки зрения, произошло значительное увеличение порядка; но, с точки зрения термодинамики, произошло уменьшение «порядка», возрастание энтропии, вследствие выравнивания температуры в системе (раствор и его окружение) и высвобождения тепла в процессе кристаллизации, что привело к увеличению теплового возбуждения молекул растворителя.

Подобным же образом, когда эмбрион животного растёт и развивается, происходит возрастание энтропии термодинамической системы, состоящей из эмбриона и его окружения, из которого он получает питание и в которую он отдаёт тепло и выделяет продукты обмена. Второй закон термодинамики подчёркивает эту зависимость живых организмов от внешних источников энергии, но он никак не может объяснить их специфические формы.

Используя наиболее общие термины, можно сказать, что форма и энергия обратно пропорциональны друг другу (выделено ред.): энергия есть принцип изменения, а форма, или структура, может существовать лишь до тех пор, пока она сохраняет определённую стабильность и сопротивление изменению. Это противостояние вполне очевидно в отношении между состояниями вещества и температурой. При достаточно низких температурах вещество существует в кристаллической форме, в которой организация молекул демонстрирует высокую степень регулярности и порядка. Когда температура повышается, в некоторой точке тепловая энергия вызывает разрушение кристаллической формы, и твёрдое вещество плавится. В жидком состоянии молекулы располагаются в короткоживущих (преходящих) структурах, которые постоянно смещаются и изменяются; силы между молекулами создают поверхностное натяжение, которое придаёт жидкости в целом простые формы, как в сферических каплях. При дальнейшем повышении температуры жидкость испаряется; в газообразном состоянии молекулы изолированы и ведут себя более или менее независимо друг от друга. При ещё более высоких температурах сами молекулы распадаются на атомы, а при дальнейшем повышении температуры даже атомы распадаются с образованием газа из смеси электронов и атомных ядер, образуя плазму.

Когда эта последовательность рассматривается в обратном порядке, по мере понижения температуры, появляются всё более сложные и организованные структуры: вначале наиболее стабильные, в конце — наименее. Когда плазма охлаждается, соответствующие количества электронов собираются вокруг атомных ядер на своих орбиталях. При более низких температурах атомы соединяются в молекулы. Затем, по мере того, как газ конденсируется в капли, в игру вступают супрамолекулярные силы. Наконец, когда жидкость кристаллизуется, устанавливается высокая степень супрамолекулярного порядка.

Эти формы появляются самопроизвольно. Их нельзя объяснить на языке внешней энергии, кроме как в негативном смысле: они могут возникнуть и существовать лишь ниже некоторой температуры. Их можно объяснить через внутреннюю энергию только до некоторой степени: из всех возможных структур стабильна лишь та, которой соответствует наименьшая потенциальная энергия; поэтому система будет стремиться спонтанно принять именно данную структуру.

3.3. Предсказание химических структур

Квантовая механика может описать в деталях электронные орбитали и энергетические состояния простейшей из всех химических систем — атома водорода. Для более сложных атомов и даже для простейших химических молекул её методы уже не столь точны; сложность вычислений становится непреодолимой, и могут использоваться лишь приближённые методы. Для сложных молекул и кристаллов детальные вычисления просто невозможны, по крайней мере на практике. Структуры молекул и расположение атомов внутри кристаллов могут быть определены эмпирическим путём, химическими и кристаллографическими методами; предсказуемы химиками и кристаллографами на основе эмпирических законов. Но это сильно отличается от фундаментального объяснения химических структур с помощью волнового уравнения Шредингера.

Важно осознать это серьёзное ограничение квантовой механики. Конечно, она помогает достичь качественного или полуколичественного понимания химических связей и некоторых аспектов кристаллов, таких как различие между изоляторами и проводниками. Но она не позволяет предугадать формы и свойства простых молекул и кристаллов, исходя из своих начальных принципов. Ситуация становится даже хуже для жидкого состояния, для которого до сих пор ещё нет удовлетворительного количественного описания. И не стоит строить иллюзии относительно того, что квантовая механика может дать детальное и точное объяснение форм и свойств очень сложных молекул и агрегатов макромолекул, изучаемых биохимиками и молекулярными биологами, не говоря уже о гораздо большей сложности форм и свойств простейшей живой клетки.

Сейчас настолько распространено убеждение в том, что химия способна обеспечить прочное основание для механистического понимания жизни, что кажется необходимым подчеркнуть, насколько шатки основы физической теории, на которые опирается сама химическая наука. По словам Лайнуса Полинга, «мы можем верить физику теоретику, который говорит нам, что все свойства можно рассчитать с помощью известных методов — решения уравнения Шредингера. Однако в действительности мы видели, что за 30 лет, прошедшие с открытия уравнения Шредингера, было сделано всего лишь несколько точных неэмпирических квантово-механических расчётов свойств веществ, в которых заинтересован химик. Для получения большей части информации о свойствах веществ химик всё ещё должен опираться на эксперимент»⁹.

Хотя это было опубликовано двадцать лет назад и с тех пор были достигнуты значительные успехи в совершенствовании приближённых методов вычислений в квантовой химии, положение по существу не изменилось и сегодня.

Тем не менее, можно возразить, что детальные расчёты в принципе могут быть сделаны. Но, даже приняв ради дискуссии, что подобные расчёты можно осуществить, нельзя утверждать заранее, что они будут верными, то есть будут согласоваться с эмпирическими наблюдениями. Так что в настоящее время нельзя считать доказанным традиционное допущение о том, что сложные химические и биологические структуры могут быть полностью объяснены в рамках существующей физической теории.

Причины трудностей и даже принципиальной невозможности в предсказании формы сложной химической структуры, исходя из свойств составляющих её атомов, вероятно, можно сделать более понятными с помощью простой иллюстрации. Рассмотрим элементарные строительные блоки, которые добавляются друг к другу по очереди — либо с концов, либо сбоку (рис. 2). С двумя строительными блоками имеем возможных комбинаций 2² = 4; с тремя — 2³ = 8, с четырьмя — 2⁴ = 16, с пятью — 2⁵ = 32, с десятью — 2¹⁰ = 1024, с двадцатью - 2²⁰ = 1 048 576, с тридцатью — 2³⁰ = 1 073 741 824 и так далее. Число возможностей вскоре становится огромным.

^{Рис. 2. Возможные комбинации различных количеств строительных блоков, которые можно соединять друг с другом либо концами, либо боками}

В химической системе различные возможные расположения атомов имеют разные потенциальные энергии вследствие электрических и других взаимодействий между ними; система самопроизвольно стремится обрести структуру с минимальной потенциальной энергией. В простой системе, всего лишь с несколькими структурами, одна из них может иметь заметно меньшую энергию, чем остальные; на рис. 3а такая ситуация представлена минимумом на дне «потенциального колодца»; другие менее стабильные возможности представлены локальными минимумами на сторонах «колодца». В системах возрастающей сложности число возможных структур увеличивается (рис. 3b, с, d); при этом вероятность существования уникальной структуры с минимумом энергии уменьшается. В ситуации, представленной на рис. 3d, несколько различных структур будут одинаково стабильными с энергетической точки зрения. Если бы оказалось, что система принимает любую из возможных структур наугад или колебалась между ними, тогда проблемы бы не было. Но если бы она неизменно принимала лишь одну из структур, это означало бы: какой-то другой фактор, отличный от энергии, определяет реализацию именно этой особенной структуры из всех возможных. Но существование подобного фактора физикой сегодня не признаётся.

^{Рис. 3. Диаграммы, представляющие возможные структуры систем с возрастающей степенью сложности. В случае а есть единственная структура с минимумом энергии, а в случае d возможно несколько одинаково стабильных структур}

Хотя химики, кристаллографы, молекулярные биологи и не в состоянии проводить детальные расчёты, необходимые для предсказания у конкретной системы структуры или структур с минимальной энергией a priori, но они могут использовать различные приближённые методы в сочетании с эмпирическими данными. Обычно эти вычисления не позволяют предсказывать уникальные структуры (кроме как для простейших систем), но позволяют получать лишь ряд возможных структур с более или менее равными минимальными энергиями. Таким образом, оказывается, что эти приближённые результаты подтверждают идею о том, что энергетические соображения недостаточны для объяснения уникальной структуры сложных химических систем. Но этот вывод всегда можно избежать, утверждая, что уникальная стабильная структура должна иметь энергию более низкую, чем любая другая возможная структура. Это утверждение никогда не может быть опровергнуто, поскольку на практике для расчётов используются лишь приближённые методы; поэтому уникальная структура, реализованная в действительности, всегда может быть приписана тонким энергетическим эффектам, которые ускользают при вычислениях.

В отношении структуры кристаллов неорганических веществ эту ситуацию можно проиллюстрировать следующим обсуждением у Полинга: «Простые ионные вещества, такие как галогениды щелочных металлов, имеют небольшой выбор структур; существует очень мало стабильных расположений ионов в кристалле, соответствующих формуле М⁺Х^-, и различные факторы, которые влияют на стабильность кристалла, вступают в борьбу друг с другом, причём совсем необязательно каждый из них находит явное выражение при выборе между упаковками хлорида натрия и хлорида цезия. Для сложного вещества, такого как слюда, KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂ или zunyite, Al₁₃Si₅O₂₀(OH)₁₈Cl, напротив, можно предложить много возможных структур, лишь слегка различающихся по своей природе и стабильности, и можно ожидать, что наиболее стабильная из этих возможных структур — та, которую фактически и принимает вещество, — в своих различных чертах будет отражать различные факторы, определяющие структуру ионных кристаллов. Оказалось возможным сформулировать набор правил относительно стабильности сложных ионных кристаллов <...> Эти правила были получены отчасти путём индукции из структур, известных в 1928 году, а отчасти путём дедукции из уравнений, описывающих энергию кристалла. Они не являются ни строгими в смысле их вывода, ни универсальными в плане их применения, но они оказались полезными в качестве критерия правильности структур, найденных (рассчитанных) для сложных кристаллов, а также в рентгеноструктурных исследованиях, где они позволяют предлагать разумные варианты структур для экспериментальной проверки»¹⁰.

^{Рис. 4. Вверху: структура фермента фосфоглицерат киназы из мышцы лошади; α-спирали представлены цилиндрами, β-нити — стрелками. Внизу: структура α-спирального участка в более крупном масштабе [Banks et al, 1979]}

Диапазон возможных структур становится много больше в органической химии, особенно в случае макромолекул, таких как белки, полипептидные цепи которых изгибаются, поворачиваются и складываются в сложные трёхмерные формы (рис. 4). Надёжно установлено, что в условиях, в которых белковая молекула стабильна, она складывается в уникальную структуру. В многочисленных экспериментах белки заставляли развёртываться в различной степени, изменяя их химическое окружение; и затем обнаруживали, что они снова сворачиваются в свою нормальную структуру, когда их помещали в соответствующие условия; начиная от различных начальных состояний и следуя различными «путями» свёртывания, они приходят к одной и той же конечной структуре¹¹.

Этой стабильной конечной ситуации, по-видимому, соответствует структура с минимальной энергией. Но это не доказывает, что она является единственной возможной структурой с минимальной энергией; может быть много других возможных структур с той же минимальной энергией. В самом деле, расчёты, проводимые для предсказания трёхмерной структуры белков с использованием различных методов аппроксимации, неизменно дают слишком много решений. В литературе по свёртыванию белков это известно как «проблема множества минимумов» (multiple-minimum problem)¹².

Есть убедительные причины думать, что сам белок не «проверяет» все эти минимумы, дабы найти один подходящий: «Если бы цепь (полипептидная. — Пер.) исследовала все возможные конфигурации наугад, путём вращения вокруг различных одиночных связей в структуре, потребовалось бы слишком много времени для достижения нативной конфигурации. Например, если отдельные остатки не свернутой полипептидной цепи могут существовать только в двух состояниях, что является сильной недооценкой, тогда число возможных случайно образованных конформаций для цепи из 150 аминокислотных остатков составляет 10⁴⁵ (хотя, конечно, большинство из них, вероятно, будут стерически невозможными). Если бы каждая конформация исследовалась с частотой вращения молекул (10¹⁷ сек^-1), что является переоценкой, для опробования всех возможных конформаций потребовалось бы примерно 10²⁶ лет. Поскольку синтез и свёртывание цепи белка, такого как рибонуклеаза или лизоцим, занимает около 2-х минут, ясно, что в процессе свёртывания не перебираются все конформации. Вместо этого, как нам представляется, в ответ на локальное взаимодействие пептидная цепь направляется по возможным низкоэнергетическим путям (число которых относительно невелико), возможно, проходя через уникальные промежуточные состояния к конформации с самой низкой свободной энергией» (К.Б.Анфинзен и Х.А.Шерада)¹³.

Но процесс свёртывания не только может быть «направлен» по определённым путям. Он может быть направлен также к одной особенной конформации с минимальной энергией, выбранной из всех других возможных конформаций с той же самой минимальной энергией.

Это обсуждение приводит к следующему общему выводу: существующие физические теории могут быть в принципе неспособны объяснить уникальные структуры сложных молекул и кристаллов; они позволяют предложить набор возможных структур с минимальной энергией, но нет доказательств того, что они объяснят факт реализации одной, а не других возможных структур. Поэтому допустимо представить, что фактор, отличный от энергии (выделено ред.), «выбирает» между этими возможностями и определяет специфическую структуру, принимаемую системой¹⁴.

Гипотеза, которая сейчас будет излагаться, основана на идее о том, что этот «отбор» осуществляется причинностью нового типа, пока ещё не признанного физикой — посредством морфогенетических полей.

3.4. Формативная причинность

Гипотеза формативной причинности предполагает, что морфогенетические поля играют причинную роль в развитии и сохранении форм систем на всех уровнях сложности. В этом контексте понятие «форма» включает не только форму внешней поверхности или границы системы, но также её внутреннюю структуру. Предполагаемое возникновение формы вследствие действия морфогенетических полей названо здесь формативной причинностью, чтобы отличить её от причинности энергетического типа, которой основательно занимается физика¹⁵. Хотя морфогенетические поля могут вызывать свои эффекты только в сочетании с энергетическими процессами, сами они не энергетичны.

Идею неэнергетической формативной причинности легче понять с помощью аналогии из области архитектуры. Чтобы построить дом, нужны кирпичи и другие строительные материалы; строители, которые кладут эти материалы в должном порядке, а также план архитектора, определяющий форму дома. Одни и те же строители, делая одно и то же общее количество работы, используя то же количество строительных материалов, могут построить дома различной формы на основе различных планов. Таким образом, план можно рассматривать как причину специфической формы дома, хотя, конечно, она не единствена: эта форма никогда не осуществилась бы без строительных материалов и работы строителей. Аналогичным образом, специфическое морфогенетическое поле является причиной специфической формы, принимаемой системой, хотя оно не способно действовать без подходящих «строительных блоков» и без энергии, необходимой, чтобы поставить их на место.

Эта аналогия не имеет целью предположить, что причинная роль морфогенетических полей зависит от сознательно созданного проекта, но лишь подчёркивает, что не всякая причинность должна быть энергетической, даже несмотря на то, что все процессы требуют затрат энергии. Сам по себе план дома не является видом энергии. Даже когда он начертан на бумаге или, в конце концов, реализован в виде дома, он ничего не весит и не имеет какой-либо собственной энергии. Если бумага сожжена или дом разрушен, не происходит изменения массы или энергии плана: он просто исчезает (из поля зрения. — Ред.). Подобно этому, согласно гипотезе формативной причинности, морфогенетические поля сами по себе не энергетичны; тем не менее, они играют причинную роль в определении форм систем, с которыми связаны. Ибо, если система была связана с другим морфогенетическим полем, она бы развивалась иначе¹⁶. Эта гипотеза проверяема опытным путём в тех случаях, когда морфогенетические поля, действующие на системы, могут быть изменены (см. ниже разделы 5.6, 7.4, 7.6 и 11.4).

Морфогенетические поля можно рассматривать как аналоги известных физических полей в том смысле, что они способны упорядочивать физические изменения, несмотря на то, что сами непосредственно не наблюдаемы. Гравитационное и электромагнитное поля представляют собой пространственные структуры, которые невидимы, неосязаемы, неслышимы, без вкуса и без запаха; они могут быть обнаружены лишь через соответствующие гравитационные и электромагнитные эффекты. Для того, чтобы объяснить факт, влияния физических систем друг на друга на расстоянии без какой-либо видимой материальной связи между ними, эти гипотетические поля наделяются свойством пересекать пустое пространство или даже фактически образовывать его. С одной стороны, они нематериальны, но с другой — они являются аспектами материи, поскольку о них можно узнать только по их действию на материальные системы. В сущности говоря, научное определение материи просто было расширено, дабы принять в рассмотрение указанные физические поля. Подобно этому, морфогенетические поля есть пространственные структуры, обнаруживаемые лишь по их морфогенетическому действию на материальные системы; и они могут рассматриваться как аспекты материи, если определение материи ещё более расширяется, включает их.

Хотя в предыдущих разделах обсуждался только морфогенез биологических и сложных химических систем, мы будем предполагать, что гипотеза формативной причинности приложима к биологическим и физическим системам всех уровней сложности. Поскольку система любого типа имеет свою характерную форму, то каждая система должна иметь специфическое морфогенетическое поле определённого типа: так, должен быть один тип морфогенетического поля для протонов, другой — для атомов азота, третий — для молекул воды, четвёртый — для кристаллов хлористого натрия, пятый — для клеток мускулов земляных червей, шестой для почек овцы, седьмой для слонов, девятый для букового дерева и так далее.

Согласно организмической теории, системы, или «организмы», иерархически организованы на всех уровнях сложности¹⁷. В нашем обсуждении эти системы будут называться морфическими единицами. Прилагательное «морфический» (от греч, morphe — форма) подчёркивает аспект структуры, а слово «единица» — единство или целостность системы. В этом смысле, химические и биологические системы состоят из иерархий морфических единиц: например, кристалл содержит молекулы, которые содержат атомы, которые, в свою очередь, содержат субатомные частицы. Кристаллы, молекулы, атомы и субатомные частицы есть морфические единицы, так же как животные и растения, органы, ткани, клетки и органеллы. Простые примеры иерархического типа организации можно представить наглядно в виде диаграммы — либо как «дерево», либо как набор «китайских шаров» (рис. 5).

^{Рис. 5. Альтернативные варианты представления простой иерархической системы}

Морфическая единица высшего уровня должна как-то координировать организацию частей, из которых она состоит. Мы будем предполагать, что она делает это посредством влияния своего морфогенетического поля на морфогенетические поля морфических единиц низших уровней. Таким образом, морфогенетические поля, подобно самим морфическим единицам, имеют строго иерархическую организацию.

Способ, которым морфогенетические поля могут действовать на системы, находящиеся под их влиянием, обсуждается в следующей главе; а вопрос о том, откуда берутся они сами и что сообщает им их специфическую структуру, рассматривается в главе 5.

(Продолжение следует)

Перевод с английского
 кандидата химических наук
Е.М.Егоровой

Послесловие от редакции

Столь актуальная, таинственная тема Формы на нашем физическом плане, её происхождение и «корни», можно сказать — НЕБЕСНЫЕ, затронута в Комментарии № 3 к Станце I в «Теогенезисе» (см. «Дельфис» № 1(25)/2001). Глубочайшие мысли из сакральных текстов и идеи морфогенетического поля тесно переплетаются, дополняют друг друга, помогая становлению новой парадигмы науки.

«Никакая Форма невозможна ни на одном плане (имеются в виду и Тонкие. — Ред.) без Воды (как стихии. — Ред.), ибо Вода есть символ принципа Желания, и Желание — это обратная сторона Формы. Форма — это застывшее Желание, а Желание — это одухотворённая Форма, то есть сущность Формы».