Новая наука о жизни
Шрифт:
Такие «центры нуклеации» будут действовать как морфогенетические зародыши через их связывание с морфогенетическим полем белка, которое затем будет канализировать процесс складывания по направлению к характерной конечной форме.
4.3. Морфогенетические поля как вероятностные структуры
Орбитали электронов вокруг атомного ядра можно рассматривать как структуры в морфогенетическом поле атома. Эти орбитали могут быть описаны решениями уравнения Шредингера. Однако, согласно квантовой механике, могут быть определены не точные орбиты электронов, но лишь вероятности нахождения электронов в определенных точках; орбитали рассматриваются как распределения вероятностей в пространстве.
В контексте гипотезы формативной причинности этот результат предполагает, что так же как эти структуры в морфогенетических полях атомов можно представить как пространственные распределения вероятностей,
108
Общее обсуждение вероятностной причинности дано в Supps (1970).
109
Сравните с концепцией полей вероятности, или склонности (propensity), сэра Карла Поппера (Popper, 1967; Popper and Eccles, 1977).
Воздействие морфогенетического поля морфической единицы на морфогенетические поля ее частей, которые являются морфическими единицами на низших уровнях (раздел 3.4), можно представить как влияние этой вероятностной структуры высшего уровня на вероятностные структуры низших уровней; поле высшего уровня изменяет (модифицирует) вероятностные структуры полей низших уровней. Следовательно, в процессе морфогенеза поле высшего уровня изменяет вероятность вероятностных событий в морфических единицах низшего уровня, находящихся под его влиянием. [110]
110
Это предположение согласуется с подходом в квантовой физике, развиваемым Бомом и Хайли (Bohm, 1969, 1980 and Hiley, 1980).
В случае свободных атомов электронные события происходят с вероятностями, задаваемыми немодифицированными вероятностными структурами атомных морфогенетических полей. Но когда атомы оказываются в сфере влияния морфогенетического поля молекулы, то есть поля высшего уровня, эти вероятности модифицируются таким образом, что вероятность событий, ведущих к актуализации конечной формы, увеличивается, а вероятность других событий уменьшается. Таким образом, морфогенетические поля молекул ограничивают возможное число атомных конфигураций, ожидаемых на основе вычислений, которые начинаются от вероятностных структур свободных атомов. Именно это и обнаруживается в действительности: например, при складывании белка скорость процесса указывает на то, что система не «исследует» бесчисленные мыслимые конфигурации, в которые могли бы быть организованы атомы (раздел 3.3).
Подобным же образом морфогенетические поля кристаллов ограничивают большое число возможных конфигураций, которые могли бы быть разрешены вероятностными структурами составляющих их молекул; в результате при кристаллизации создается одна определенная организация молекул из большого числа других мыслимых структур.
Так, морфогенетические поля кристаллов и молекул являются вероятностными структурами в том же смысле, в каком ими являются электронные орбитали в морфогенетических полях атомов. Этот вывод согласуется с известным допущением, что нет качественной разницы между квантово-механическим описанием простых атомных систем и потенциальным квантово-механическим описанием более сложных форм. Но, в отличие от гипотезы формативной причинности, известная теория стремится объяснить сложные системы снизу вверх, то есть через квантово-механические свойства атомов.
Различие между этими двумя подходами можно яснее увидеть в историческом контексте. Сама квантовая теория была изначально разработана в связи со свойствами простых систем, таких как атомы водорода. Со временем были введены новые фундаментальные принципы, чтобы объяснить эмпирические наблюдения, например тонкую структуру спектров излучения атомов. Первоначальные квантовые числа, характеризующие дискретные электронные орбитали, были дополнены другим набором чисел, определяющих угловой момент и затем «спин». Последний считается неотъемлемым (нередуцируемым) свойством частиц, таким же как электрический заряд, и имеет собственный закон сохранения. В физике ядерных частиц еще более нередуцируемые факторы, такие как «странность» и «очарование», вместе с дополнительными законами сохранения были введены более или менее специальным образом, чтобы объяснить наблюдения, не объяснимые с помощью уже существовавших квантовых факторов. Более того, открытие большого числа новых субатомных частиц привело к необходимости постулировать все возрастающее число новых видов материальных полей.
Когда уже так много новых физических принципов и физических полей было введено для объяснения свойств атомов и субатомных частиц, то распространенное допущение, что на уровнях организации выше атома новые физические принципы или поля не играют роли, кажется весьма произвольным. На самом деле оно есть немногим более нежели реликт атомизма девятнадцатого века; теперь, когда атомы уже более не считаются конечными и неделимыми, его изначальное теоретическое оправдание перестало существовать. С точки зрения гипотезы формативной причинности, хотя существующая квантовая теория, разработанная для описания свойств атомов и субатомных частиц, проливает много света на природу этих морфогенетических полей, она не может быть экстраполирована для описания морфогенетических полей более сложных систем. Нет причин считать, что морфогенетические поля атомов занимают привилегированное положение в системе природы; они являются просто полями морфических единиц на одном определенном уровне сложности.
4.4. Вероятностные процессы в биологическом морфогенезе
Есть множество примеров физических процессов, имеющих вероятностные пространственные результаты. В общем случае изменения, включающие нарушения симметрии или гомогенности, являются неопределенными; примеры такого рода можно найти в фазовых переходах между газообразным и жидким, а также жидким и твердым состояниями. Если, например, сферический баллон, наполненный паром, охлажден до температуры ниже точки насыщения в отсутствие внешних градиентов температуры и силы тяжести, жидкость начнет конденсироваться на стенках, но конечное ее распределение будет непредсказуемо и почти никогда не будет сферически симметрично. [111] Термодинамика может предсказать относительные количества жидкости и пара, но не их пространственное распределение. При кристаллизации вещества в однородных условиях пространственное распределение, а также число и размеры кристаллов не могут быть предсказаны; другими словами, если бы тот же самый процесс повторялся в аналогичных условиях, каждый раз пространственный результат различался бы в деталях.
111
Этот и другие примеры того, что Р. Том называет «обобщенными катастрофами», обсуждаются в главе 6 его книги «Структурная стабильность и морфогенез».
Сами формы кристаллов, хотя они демонстрируют определенную симметрию, могут быть неопределенными; хорошо знакомым примером являются снежинки, которые образуют мириады различных форм. [112]
В «диссипативных структурах» макроскопических физических и химических систем вдали от термодинамического равновесия случайные флуктуации могут вызвать пространственные картины, например конвекционные ячейки в нагретой жидкости или окрашенные полосы в растворах, где протекает реакция Жаботинского. Математическое описание таких случаев «порядка через флуктуации» методами неравновесной термодинамики дает поразительные аналогии с фазовыми переходами. [113]
112
Benley and Humphreys (1962).
113
Nicolis и Prigogine (1977). Другой, но родственный подход к этим проблемам описан у Хакена (Haken, 1977).
Эти примеры пространственной неопределенности (индетерминизма) заимствованы из самых простых физических и химических процессов. В живых клетках физико-химические системы гораздо сложнее, чем любые системы в неорганической сфере, и могут включать многие потенциально неопределенные фазовые переходы и неравновесные термодинамические процессы. В протоплазме кристаллическая, жидкая и липидная фазы существуют в динамической взаимосвязи; далее, здесь присутствует также множество видов макромолекул, которые могут объединяться в кристаллические или квазикристаллические агрегаты; липидные мембраны, которые, как «жидкие кристаллы», существуют на границе между жидким и твердым состояниями, подобно коллоидным золям и гелям; электрические потенциалы на мембранах, которые флуктуируют непредсказуемым образом; и «компартменты», содержащие разные концентрации неорганических ионов и других веществ, разделенных мембранами, через которые эти вещества перемещаются вероятностным образом. [114] При такой сложности число энергетически возможных способов пространственного изменения должно быть огромным, и поэтому здесь велик диапазон действия морфогенетических полей путем наложения пространственных ограничений на эти вероятностные процессы.
114
Stevens (1977).