Механицизм и витализм в истории биологии

 

Исторически существовало две противоположные точки зрения на этот вопрос - материалистическая и идеалистическая. Первая получила название механицизма, вторая - витализма.

Механицизм (от греческого mechane - орудие, сооружение) объяснял жизнь исходя из обычных механических или физических форм движения и превращения материи. Механицизм - односторонний метод познания, так как основан на признании механической формы движения материи единственно объективной. Было несколько механистических трактовок сущности жизни.

Собственно механицизм - жизнь объяснялась на основе принципов классической ньютоновской механики. Ее каждый прошлый и будущий шаг может быть просчитан. Рождение, жизнь и смерть также циклично закономерны, как восход и заход солнца. Эта трактовка имеет сейчас лишь исторический интерес.

Машинная теория была популярна в 17-18 веках (Декарт и др.). Жизнь представлялась как сумма физических и химических процессов, которые подобно машинным процессам протекают на статичных, неизменных структурах. В этой трактовке отсутствовала идея развития, эволюции. Живой мир рассматривался как сложный физико-химический механизм, работающий в заданном режиме.

Механицизм как физикализм возник в конце 19 - начале 20 веков и получил законченные формы к середине 20 века. Согласно представлениям физикалистов жизнь развивается, но по сути она представляет простые физико-химические процессы. Причем сложнейшие биологические процессы сначала сводятся к более простым химическим, а химические в свою очередь сводятся к еще более простым - физическим. Такие отношения между уровнями разной сложности обозначаются как  принцип сводимости (сложные уровни и процессы сводятся к простым).

Метод познания, основанный на принципе сводимости, или редукции, называется редукционизмом (от латинского reductio - отодвигание назад, возвращение к прежнему состоянию), так что физикализм в своем методологическом применениивыступает как крайняя форма редукционизма. Для физикализма, как и для механицизма в целом, характерно отрицание качественной специфики более сложных материальных образований, поскольку сложное сводится к более простым элементам, целое - к сумме его частей.

Развитию физикализма как естественнонаучного мировоззрения способствовали успехи физики и химии второй половины 19 века и первой половины 20 века, открытие в живых телах свойств и законов движения (в физико-химическом смысле) неорганических тел. Жизнь сводится к процессам обмена веществ и энергии по химическим и физическим законам. Приведем некоторые характерные высказывания видных ученых в духе физикализма.

Бертран Рассел - английский философ, математик, логик; написано в 1951 году: «Нет причины считать, что живая материя подчиняется иным законам, чем те, которые управляют живой материей, и есть достаточные основания полагать, что все поведение живой материи удастся теоретически объяснить средствами физики и химии». Таким образом, надо полагать, биология станет частью физики и химии.

Эрвин Шредингер - австрийский физик, квантовый механик заявил в 1946 году, что «живая материя, хотя она и не отклоняется от установленных к настоящему времени физических законов, вероятно подчиняется и другим, еще не открытым физическим законам, которые, когда они будут ясно показаны, составят такую же неотъемлемую часть физики, как и первые».

То есть любые, пока что неразгаданные формы проявления жизни рано или поздно будут объяснены как физические процессы. Бурное развитие физики второй половины 20 века, открытие новых элементарных частиц и физических полей, успехи кибернетики и теории информации все более полно объясняют сложные материальные взаимодействия в природе, в том числе и в живых организмах, и все меньше тайн остается в понимании сложных биологических процессов. Но сама по себе физико-химическая интерпретация жизненных реакций не давала в прошлом и не дает сейчас ответа но вопрос: где кончается неживая природа и начинается живая? А что предлагали по этому поводу идейные противники механицистов - виталисты?

Витализм (от латинского vitalis - жизненный, живой) утверждает, что живое не сводится только к физико-химическим явлениям, в нем действуют еще и особые «жизненные силы».

Витализм - давняя концепция, его корни, как и корни механицизма, уходят в классическую древность. Великий античный философ Аристотель (IV век до н. э.) ввел понятие «энтелехия», которое противопоставляется «материи» и означает конечную причину, цель, идею о совершенстве формы организма, которая и управляет развитием. По определению Аристотеля живой природе присуща «цель в самой себе».

В начале 18 века немецкий врач и химик Шталь - автор известной в химии теории флогистона, опровергнутой позже Лавуазье - развивал в медицине виталистическую теорию, известную под названием анимизма (от латинского anima - душа, дух). По Шталю главное для живого организма - его душа, она управляет телом и не допускает его распада.

В 19 веке состоялись выдающиеся открытия химии и физики, виталисты быстро теряли своих сторонников. Виталисты утверждали, что органические вещества могут возникать только с помощью «жизненной силы», но уже в 1828 г. Вёлер из неорганических веществ синтезировал мочевину - азотсодержащее органическое вещество животного происхождения. Знаменитый французский микробиолог Луи Пастер считал, что разложение сахара (брожение, дыхание) - особое свойство живых клеток, но в 1897 г. Бухнер получил из дрожжей ферментный экстракт и провел брожение сахаров в бесклеточной системе, то есть без всякой «жизненной силы». Сильный удар по витализму нанесло открытие Рубнера: в начале 20 века он установил, что закон сохранения энергии действует и в органическом, живом мире.

Однако идея энтелехии не была преодолена окончательно. В начале 20 века система витализма наиболее полно была изложена Хансом Дришем – видным немецким биологом и философом. Опираясь на открытые им эмбриональные регуляции, Дриш утверждал, что развитие организма не сводится к реализации предустановленного, заранее спланированного экстенсивного (пространственного) разнообразия, как утверждали механицисты, но происходит переход интенсивного (непространственного) разнообразия в экстенсивное. Этот переход свойствен только живым системам и осуществляется под действием специфически витального фактора - энтелехии.

Заметим, что признание энтелехии, жизненной силы часто ведет к антропоморфическим образам: учение о субстанциональной душе, психической силе. На этих понятиях основываются так называемый психовитализм (психизм), мистицизм. Поддержанию таких понятий способствуют очень большие и пока не разрешенные трудности в понимании принципов работы мозга, векторов эмбрионального развития, направленного и «целесообразного» характера биологической эволюции. Положительное значение витализма состояло в критике механистических взглядов на биологическую причинность, в стимулировании работ по биологической информации.

С развитием системного подхода и современного учения о самоорганизации (синергетики) причины специфической живой организации стали искать не во внешних силах, а в самопроизвольно и эмерджентно возникающих новых свойствах достаточно сложных систем. Специфика живого не отрицается, но она выводится как естественное свойство наиболее сложно организованной материи. Некий пороговый уровень сложности органических макромолекул - прежде всего белков и нуклеиновых кислот - и является той гранью, за которой (той «причиной», по которой) возникает качество жизни. В общефилософском смысле можно говорить о переходе количественных изменений в качественные. Понять эту качественную специфику - наша дальнейшая задача.

Однако одного философского рационализма (от латинского ratio - разум), мудрствования здесь мало - нужны достоверные эмпирические (опытные) знания. Их добывают естественные науки, в том числе биология.

 

2. Живая материя и ее основная форма движения. обмен веществ и энергии в живой системе

Живая материя имеет в основе те же физические свойства, что и неживая. Понятие «материя» многогранно. В целом материя представляет  совокупность вещества и поля, которые выступают как разные виды материи.

Веществом называют объекты и системы, обладающие массой покоя. Поле - это виды материи, не имеющие массы покоя. Например, электромагнитное поле представляет излучение в форме квантов (порций) энергии. Существует также гравитационное поле, нейтринное излучение. Между веществом и полем нет строгой границы, так как элементарные частицы вещества, например электроны, обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами (дуализм волны и частицы). Эти базовые положения квантовой (волновой) механики были сформулированы в 20-30-е годы 20-го века. Выдающимся представителем этой новой науки был датский физик Нильс Бор.

Живая материя представляет особо сложное вещество и, соответственно, сложное многофакторное поле. Именно уровень сложности делает материю живой, хотя внутри нее действуют простые физические и химические законы. По уровню сложности материи разграничиваются и сферы внимания естественных наук. Атомы - поле деятельности физики, молекулы - объект химии, с уровня макромолекул начинается биология, так как с этого уровня сложности появляются качественно новые свойства, характеризующие живую материю.

Биологические макромолекулы - это белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Подчеркнем еще раз, что белки и нуклеиновые кислоты представляют апериодические полимеры, так как их мономеры - 20 видов аминокислот в белках и 4 вида нуклеотидов в ДНК и РНК - чередуются беспорядочно. Это и является источником огромного структурного разнообразия живой материи, какого нет в неживой природе.

Любая материя существует в движении. В широком смысле под движением материи понимают ее постоянное развитие, изменение, преобразование вещества в поле и обратно. Для понимания основной формы движения живой материи сначала необходимо усвоить важнейшее исходное понятие - 2-ой закон термодинамики. Суть его в том, что в природе изначально существует фундаментальная асимметрия, неравновесие в распределении вещества и поля (энергии), поэтому самопроизвольно все физические процессы (движение материи) направлены к достижению равновесного состояния.

Это означает переход материи из упорядоченного, структурированного состояния, когда есть сгустки и разреженные участки вещества и поля, к диффузному, гомогенному распределению вещества и поля в пространстве. В таком диффузном состоянии материя имеет минимальную свободную энергию - энергию, способную совершить работу, и, напротив, максимальную энтропию -рассеянную долю энергии, не способную к совершению работы. Это правило касается всех самопроизвольных процессов, в том числе колебательных: горячее тело рано или поздно остывает (энергия рассеивается); прыгающий мяч снижает амплитуду и в итоге останавливается и т. д. Эти процессы дезорганизации материи самопроизвольно необратимы.

Сформулированное 2-ое правило термодинамики полностью справедливо и для живой материи, которая в основе подчиняется законам физики и самопроизвольно стремится к распаду, к равновесному состоянию с минимальной свободной энергией и максимальной энтропией. На рисунке эти процессы показаны в левой части схемы и означают смерть живой материи, ее превращение в неживую.

 

Однако живая материя, пока она действительно живая, остается неравновесной, структурированной, высоко упорядоченной. В ней имеется свободная, готовая совершить работу энергия, а энтропия минимальна. Такое состояние поддерживается за счет притока внешней энергии и ее трансформации в энергию химических связей макромолекул. Концентрация вещества и поля, то есть повышение внутренней свободной энергии материи происходит в процессе разнообразных биосинтезов (образования сложных веществ из простых), сопряженных с поглощением внешней энергии. Это и есть  жизнь - противоположность смерти (правая часть схемы на рисунке).

Поскольку основной формой внешней энергии для поддержания жизни является солнечный свет, формулу жизни можно конкретизировать:

 

 

Таким образом, взаимодействие потоков простого вещества и энергии в ходе биосинтеза живого вещества и обратный процесс распада, то есть обмен веществ и энергии, составляет фундаментальное свойство жизни, основную форму движения живой материи. Этому определению вторят разнообразные характеристики жизни, как-то:

Жизнь - это специфическая форма движения материи (кругооборот материи, обмен веществ и энергии) с поддержанием упорядоченного неравновесного состояния (с высокой свободной энергией и низкой энтропией) за счет поглощения и трансформации внешней энергии.

Жизнь - это поддержание высокой упорядоченности (низкой энтропии) в среде с меньшей упорядоченностью (высокой энтропией).

Жизнь препятствует росту энтропии.

Жизнь - это синтез вещества и поля.

Далее мы подробнее остановимся на вопросах биосинтеза веществ и использования энергии, но не вдаваясь в глубокие детали во избежание потери главной мысли - о материальной сущности жизни.