ПРИНЦИП УМОВА
К 75-летию физфака
В научном знании существует относительно небольшое число “вечных” проблем, которые привлекали общее внимание на протяжении всей многовековой истории развития науки. К таким проблемам относится выяснение сущности жизни как природного явления. Сто лет назад к ней обратился и выдающийся русский физик Н.А. Умов, который в 1902 году в лекции “Физико-механическая модель живой материи”[1], предвосхитив многие достижения современной науки, определил сущность жизни как стройность, сформулировав в дополнение к этому фундаментальный закон существования в природе процессов генерации и отбора упорядоченных состояний материи. Эта работа оказалась незаслуженно забытой, и, как нам представляется, было бы интересно на фоне современных знаний воспроизвести ее основные положения.
Специфику жизненных явлений Н.А. Умов связал с понятием “стройность”, характеризующим связанность движений. В этом понимании стройность, по мнению Н.А. Умова, существует в живой и неживой природе, но в последней выражена несравненно слабее. При этом стройность соотносится с энтропией – ее противоположностью, и ставится вопрос, в каком отношении находится живая природа к закону роста энтропии, согласно которому конечным результатом всех процессов природы является увеличение нестройности. Чтобы показать, каким образом может возникнуть стройность, Н.А. Умов сравнивает результаты процесса окисления органического вещества при лесном пожаре и в паровом двигателе: “В первом случае мы получаем беспорядочные движения потоков горящих газов, постепенно излучающих и разменивающих свою энергию на движения мелкие, хаотические. В паровом двигателе, как бы плохо он ни был устроен, мы имеем движение более стройное. В понятие парового двигателя мы включим все условия его функционирования. Чем обусловливается достоинство машины? Оно тем выше, чем большее количество подводимой энергии может преобразоваться в стройные формы движения и чем большей стройностью, т.е. связностью отличаются эти формы. Условием такого достоинства является стройность самой машины и стационарность ее действия. Двигатель с движением периодическим будет более стройным…
Стройность движения характеризуется определенной формой. Она обусловливается только большей или меньшей связью последовательных элементов движения… Чем стройнее машина, тем больше имеется в ней приспособлений, обеспечивающих эту стройность от случайностей. Таким образом, осуществление стройности уже вооружает машину приспособлениями для борьбы за существование, которая в данном случае есть не что иное, как борьба за стройность. Дифференцирование органов машины обусловливает не только большую стройность, т.е. связность движений, но и их большее разнообразие… Стройность тем выше по своему качеству, чем она устойчивее. Так как по закону роста энтропии, среди вредных случайностей мелкие встречаются чаще крупных, то механизм тем более сохранит свою стройность, чем он приспособленнее к мелким движениям… Чем совершеннее стройность, чем глубже проникает она механизм, тем больше поводов к ее борьбе с нестройностями: борьба с миганием пламени, перебоем звуков, с утомляющей пестротою цветов и т.д. Стройный механизм стремится создать обстановку, находящуюся с ним в резонансе, а не в перебое. Выражаясь другими словами, он приводит все окружающее в гармонию со свойственным ему чувством красоты, подчиняет это окружающее своим идеалам”[2].
Здесь следует подчеркнуть два важных момента: утверждение о возможности количественной характеристики стройности по степени ее устойчивости и указание на связь понятия стройности не только с пространственной, но и с временной упорядоченностью явлений, т.е. придание стройности смысла динамической характеристики. Действительно, что может быть пространственно более стройным, более упорядоченным, чем кристалл при температуре абсолютного нуля?! Но такой порядок мертв, он неизменен, не способен к развитию и, следовательно, не может быть основой создания стройности в живой природе.
Н.А. Умов обращает внимание на три обстоятельства, характеризующих жизнь: во-первых, на глубокую физическую аналогию “сознательных” действий в живой природе и работы автоматических устройств; во-вторых, на невозможность осуществления процессов управления и появления стройности без роста энтропии и, в-третьих, на порождение стройности стройностью. Аргументация этих фундаментальных положений приводится ниже с небольшими сокращениями в вышеупомянутом порядке.
1. “Научный и обыденный опыт показывает, что живая материя не изменяет своей деятельностью законы природы неорганической. Мы можем поэтому высказать следующее положение: действие живой материальной системы на неживую может быть заменено действием некоторой неживой материальной системы.
Перейдем теперь к рассмотрению вопроса о том, насколько справедлива теорема, обратная той, которая была только что формулирована. Действительно, не очевидно, что действие внешнего мира на живую материю эквивалентно действию на некоторую неживую материальную систему. Представим себе зверя, который, увидав опасность, сразу останавливается и испускает крик, предупреждающий товарищей. Спрашивается, возможно ли заменить процессы, сопровождающие этот сознательный акт, процессами в некоторой неживой материальной системе? Да, можно, давая такой системе соответственную организацию. Представьте себе локомотив, несущий на своей груди пластинку селена, включенную в одну цепь с аккумулятором и реле, которое может замыкать сильную батарею, соединенную с электродвигателем. Навстречу нашему локомотиву несется другой, имея впереди вольтову дугу. При сближении луч света падает на пластинку селена, которая становится проводником электричества, реле замыкает батарею, освобождает, как говорят, химическую энергию; завертевшийся электрический двигатель пускает в ход тормоза и открывает клапан в свистке локомотива. Здесь повторились процессы раздражения, освобождения энергии и реакции, происходившие в животном.
Итак, в целом ряде актов, сопровождающихся сознанием и вызываемых внешним миром, живая материя может быть заменена автоматом.
На двух формулированных теоремах основана приложимость физики и химии к явлениям, представляемым организмами”.
2. “Высшие степени стройности могли возникать в природе только с такими приспособлениями, которые давали бы возможность оберегать среди случайностей самую нить стройности. К таким приспособлениям относятся органы чувств, память, психика.
Закон роста энтропии имеет громадное значение в осуществлении этих приспособлений.
Без затухания, излучения, словом – без рассеяния энергии, ни один орган не мог бы исполнять своего значения и не мог бы иметь прочного существования. Если бы световые вибрации сохранялись в сетчатой оболочке нашего глаза, мы имели бы постоянно возрастающее ощущение блеска и в результате – отсутствие отчетливости ощущений и слепоту…
Следовательно, энергия, пробегающая от наших органов чувств к центральным частям нервной системы, должна затухнуть, т.е. излучиться, но должна в то же время оставить след. Такой след на языке физики есть запись энтропии; механизмы, осуществляющие наиболее стройные движения, представляют собой памятные книжки энтропии. Записи энтропии, накапливаясь, сохраняют свою раздельность, они образуют память, основу психической деятельности. Без закона энтропии психическая деятельность была бы невозможна”.
3. “Представим себе органную трубу среди бушующей воздушной бури. Она издает свойственный ей музыкальный тон. На музыкальный тон не было затрачено новой энергии, а только произошел отбор, сортировка хаотических движений частиц воздуха в гармонические или стройные движения. Энергия осталась та же – энергия бури. Сортировка есть акт нематериальный, органная труба есть приспособление отбора…
В частях нервной системы, вследствие внутренних и внешних влияний и передач, происходят хаотические процессы с определенной энергией. Приспособления отбора вносят в эти процессы стройность, сообразно своей природе, и такой акт не требует специальной затраты энергии… Процесс представляется таким образом: раздражение органов чувств вызывает какое-то изменение, которое распространяется по нервной материи и где-то само конструирует свой след, вроде нашей органной трубы. Когда много времени спустя мимо этого следа или через него проносится хаос каких-либо изменений, то этот след, представляя из себя приспособление отбора, придает некоторой части хаоса стройность, представляющую именно тот процесс, который сконструировал этот след.
Подобное конструирование орудий отбора самими явлениями мы опять находим в неорганической природе… Световые лучи различного цвета устраивают сами в светочувствительной пленке резонирующие им полости (при получении световых фотографий – В.С.). Такая пленка, внесенная в волны света, заблещет теми цветами, которые когда-то изменили ее структуру. Она воспроизведет явление, когда-то совершившееся и записавшее в ней свой пробег… Отбор или сортировка могут быть не только физические, но и химические. Приспособления сортировки в этом последнем случае будут образованы веществами, способствующими возникновению определенных химических реакций, или катализаторами…
Природа представляет из себя громадную лабораторию, в которой происходят непрерывные превращения вещества: некоторые из вновь образующихся веществ сохраняются, другие же разрушаются в момент своего возникновения. Поэтому нужно принять, что появлению жизни, т.е. и сформированию того вещества, в котором могли возникнуть процессы жизни, сопутствовало образование элементарных орудий отбора, улавливавших образующиеся новые вещества и оберегавших их от разрушения. Такие элементы отбора должны быть заложены и в тех клетках, которые служат целям размножения, этому необходимому свойству, которым должна обладать стройность в мире, подчиненном закону роста нестройности. Способностью к размножению живое увеличивает свои шансы, компенсирует необратимость процессов природы”[3].
Согласно представлениям Н.А. Умова, между живым и неживым нет непреодолимой границы. Все наиболее характерные черты живой материи в менее развитом виде существуют и вне ее, являясь следствием действия общих законов природы. В живых организмах нет ничего такого, что отсутствует в неорганических телах, и все различия сводятся к форме и степени проявления стройности. В явлениях жизни не остается места энтелехии, жизненной силе и другим гипотетическим субстанциям, обращение к которым вызвано только неполнотой физических знаний. Представления о разделении живой и неживой природы по количественным показателям каких-то свойств имеет очевидный физический смысл и способствует поиску объективных критериев для выявления сущности жизни.
Итак, согласно представлениям Н.А. Умова, с физической точки зрения жизнь есть стройность, а возникновение и дальнейшее развитие жизни на Земле есть процесс самопроизвольного порождения стройности стройностью (размножение упорядоченных состояний) с последующим усилением степени стройности в результате естественного отбора наиболее устойчивых проявлений упорядоченной материи. Данный вывод не вытекает из первого и второго закона термодинамики, и Н.А. Умов назвал его третьим законом, дав следующую формулировку: в природе существуют и действуют способы отбора и сохранения упорядоченных состояний. За прошедшее столетие не были получены какие-либо факты, опровергающе это положение, которое, возможно, следовало бы назвать принципом Н.А. Умова.
Профессор В.С. Савенко, Географический факультет МГУ