Форма жизни

Проблема формы

Не очевидно, что форма вообще представляет какую-то проблему. Окружающий нас мир полон форм, мы узнаем их в каждом акте восприятия. Но 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 так далее (Прекрасное введение в проблему органической формы можно найти в Sinnott (1963).
Соотношения между количественными факторами физики могут быть выражены математически, и физические изменения — описаны с помощью уравнений. Создание этих уравнений возможно, 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 был брошен в печь и превратился в пепел, общее количество вещества и энергии остается тем же, но форма цветов просто исчезает.
Физические величины можно измерить инструментами с высокой степенью точности. Но формы не могут быть измерены в количественных единицах, да этого и не нужно даже ученым. 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 и гистолог — клетки. Все эти формы распознаются непосредственно. Затем образцы растений сохраняются в гербариях, бабочки и кости — в шкафах, а клетки — на предметных стеклах микроскопа. Как формы, они просто являются сами собой, их нельзя свести к чему-либо еще. Описание и классификация форм фактически есть главная задача многих областей науки; даже в такой точной науке, как химия, главная цель состоит в определении форм молекул, представляемых в виде диаграмм как двумерные «структурные формулы» или как трехмерные 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 еще недостаточно разработаны, чтобы давать математические формулы, скажем, жирафа или дуба. Некоторые из новых методов, разработанных Томом и другими, со временем, возможно, могут быть использованы для решения подобных проблем, но здесь есть математические трудности не только практического, но и принципиального характера (Обсуждение этой проблемы см. у Р. Тома (Thom, 1975а).).
Если простое описание даже простейших статических форм представляет математическую проблему неимоверной сложности, то описание изменения формы, или морфогенеза, еще 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 путем конструирования математических моделей, в которых конец или цель морфогенетического процесса — конечная форма представлена аттрактором в морфогенетическом поле. Он постулирует, что каждый объект, или физическая форма, может быть представлен таким аттрактором и что весь морфогенез «может быть описан через исчезновение аттракторов, представляющих начальные формы, и их замещение путем захвата аттракторами, представляющими конечные формы». Для разработки топологических моделей, которые соответствуют частным морфогенетическим процессам, найдены формулы в результате сочетаний проб и ошибок с вдохновенными догадками. Если математическое выражение дает слишком много решений, в него должны быть введены ограничения; а если функция слишком ограничена, вместо нее используется более общая функция. С помощью таких 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 могут привлечь внимание к формальным аналогиям между различными типами морфогенеза (Thom (1975b).). На первый взгляд для этого топологического подхода кажется наиболее приемлемым математический формализм теории информации. Но на самом деле область применения теории информации очень ограниченна. Изначально она была разработана инженерами телефонных устройств в связи с передачей посланий от источника через канал к приемнику; она занималась главным образом тем, 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 приемнику 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 серьезным ошибкам, поскольку в живых организмах случаются события, которые не происходят в телефонных проводах: мутации генов, инверсии частей хромосом, транслокации и др. Но теория информации неприложима к биологическому морфогенезу: она рассматривает только передачу информации в закрытых системах и не может допустить, чтобы при этом происходило увеличение количества информации (Обсуждение границ применимости теории информации в биологии имеется у Уоддингтона (Waddington, 1975, с. 209-230).). Развивающиеся организмы — это не закрытые системы, и их развитие эпигенетично, то есть сложность формы и организации возрастает (Эпигенез — зародышевое развитие с постепен¬ным новообразованием органов. Теорию эпигенеза обосновал один из родоначальников эмбриологии К. Ф. Вольф — немец по происхождению, с 1767 года работавший в Петербургской Академии наук. В своей книге «Тео¬рия зарождения» (1759) на основе данных о росте растений и развитии животного эмбрио¬на Вольф показывает, что в зародыше органы не предсуществуют, а развиваются в определенной последовательности и при этом про¬ исходит образование новых форм. Эпигенез близко подходит к пониманию развития как возникновения новых качеств. В XVIII веке эпигенетические   представления   развивали также П. Мопертюи, Дж. Нидхэм, в России — А. Н. Радищев и другие ученые.). Хотя механистически мыслящие биологи часто говорят о «генетической информации», «позиционной информации» и т. д., как будто эти термины имеют какое-то вполне определенное значение, это не более чем иллюзия: они лишь заимствуют жаргон теории информации, пренебрегая ее 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, все 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 дает 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 нашего ума искать и находить порядок в опыте: упорядоченные структуры математики, творения человеческого разума 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 только на разработку и эмпирическую проверку математических моделей более или менее изолированных и определяемых объектов нашего мира; она не может привести к фундаментальному пониманию реальности.
Однако в отношении проблемы формы существует иной подход, 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. Морфогенетические поля и хреоды органицистов играют подобную же роль в направлении морфогенетических процессов к созданию специфических конечных форм. Но природа этих полей и хреод до сих пор оставалась неясной.
Эта неясность может быть отчасти обусловлена платоновской тенденцией большей части организмической мысли (Многочисленные примеры сочетания аспектов организмической философии с явно неоплатоническими рассуждениями содержатся у Райера (Ruyer, 1974)) в его сообщении о малых неогностических группах в США, среди членов которых было много выдающихся ученых.), наиболее отчетливо представленной в философской системе Уайтхеда. Уайтхед постулировал, что все подлинные события включают то, что он назвал Вечными Объектами; последние в совокупности образуют сферу возможности и включают все возможные формы; действительно, они сильно напоминают платоновские Формы (Emmett (1966).). 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 как биологию, так и физику; следовательно, если принимается, что морфогенетические поля играют причинную роль в биологическом морфогенезе, они также должны играть причинную роль в морфогенезе более простых систем, таких как кристаллы и молекулы. Такие поля не признаются в существующих физических теориях. Поэтому важно исследовать вопрос о том, в какой степени эти теории способны объяснить морфогенез чисто химических систем. Если они могут обеспечить адекватное объяснение, тогда идея морфогенетических полей не представляет интереса; но если не могут, тогда открыт путь для новой гипотезы причинности формы через морфогенетические поля, как в биологических, так и в небиологических системах.

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 энергией, обусловленной их стремлением к движению; они покоятся лишь потому, что их удерживают силы, противостоящие этому стремлению.
Предполагалось, что гравитационное притяжение зависит от силы, которая действует на расстоянии, вызывая движение тел или сообщая им стремление к движению, или потенциальную энергию. Однако причина существования самой этой силы притяжения оставалась неизвестной. В противоположность этому сейчас гравитационные и электромагнитные явления объясняются на языке полей. В то время как ньютоновские силы мыслились как возникающие каким-то неизвестным образом из материальных тел и распространяющиеся из них в пространстве, в современной физике первичными считаются поля: они лежат в основании как материальных тел, так 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 оно искривляется в присутствии вещества. Во вторых, электромагнитное поле, в котором локализованы электрические заряды и через которое электромагнитные излучения распространяются как вибрационные возмущения. Согласно квантовой теории, эти возмущения есть подобные частицам фотоны, связанные с дискретными квантами энергии. В-третьих, в квантовой теории поля вещества субатомные частицы рассматриваются как кванты возбуждения материальных полей. Каждый сорт частиц имеет свой особый вид поля: протон — это квант протонантипротонного поля, электрон — квант электрон-позитронного поля и так далее.
В этих теориях физические явления объясняются с помощью комбинации концепций пространственных полей и энергии, а не только на языке энергий. Таким образом, хотя энергия может считаться причиной изменения, порядок изменения зависит от пространственной структуры полей. Эти структуры производят физические эффекты, но они 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 делает это, поскольку искривлено само пространство, в котором она движется.

Диаграмма, представляющая состояния

Диаграмма, представляющая нестабильное (А), стабильное (В) и отчасти стабильное (С) состояния

Современное понимание структуры химических систем зависит от представлений квантовой механики и электромагнетизма; гравитационные эффекты незначительны, 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 рисунке выше. Если система находится в состоянии с энергией большей, чем в возможных альтернативных состояниях, любое малое смещение (например, из-за теплового возбуждения) приведет к ее переходу в другое состояние (А). Если, с другой стороны, она находится в состоянии с энергией меньшей, чем в возможных альтернативных состояниях, после небольшого смещения она вернется в это исходное состояние, которое будет стабильным (В). Система может также временно находиться в состоянии, которое не является наиболее стабильным до тех пор, пока она не сдвинута выше «порогового» уровня (С); когда это случается, она переходит в более стабильное состояние с меньшей энергией.
Эти энергетические соображения определяют, какое состояние химической структуры является наиболее стабильным, но они не объясняют пространственные характеристики этого состояния; эти характеристики представлены на рисунке выше как линии, по которым катится шарик и которые действуют как барьеры, ограничивающие его движение. Эти 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 остается постоянной, либо возрастает.
Значение этого закона в популярных изложениях 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 науки термодинамики. Во-первых, он применим только к закрытым системам, тогда как живые организмы — это открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Во-вторых, он имеет дело только с внутренними отношениями между теплом и другими формами энергии: он применим к энергетическим факторам, которые влияют на химические и биологические структуры, но не объясняет возникновения этих структур. И в-третьих, техническое определение энтропии слабо связано с каким-либо нетехническим понятием беспорядка; в частности, оно не имеет отношения к порядку того типа, который существует в химических и биологических системах. Согласно третьему закону термодинамики, при абсолютном нуле температуры энтропии всех чистых твердых кристаллических веществ равны нулю. 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 объем, то при охлаждении раствора соль кристаллизуется. Вначале составляющие его ионы 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 имеет место уменьшение порядка, возрастание энтропии, вследствие выравнивания температуры в системе (раствор и его окружение) и высвобождения тепла в процессе кристаллизации, что приводит к увеличению теплового возбуждения молекул растворителя.
Подобным же образом, когда эмбрион животного растет и развивается, происходит возрастание энтропии термодинамической системы, состоящей из эмбриона и окружения, из которого он получает питание и в которое он отдает тепло и выделяет продукты обмена. Второй закон термодинамики подчеркивает 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: энергия есть принцип изменения, а форма, или структура, может существовать лишь до тех пор, пока она сохраняет определенную стабильность и сопротивление изменению. Это противостояние вполне очевидно в отношении между состояниями вещества и температурой. При достаточно низких температурах вещества существуют в кристаллических формах, в которых организация молекул демонстрирует высокую степень регулярности и порядка. Когда температура повышается, тепловая энергия в некоторой точке вызывает разрушение кристаллической формы, твердое вещество плавится. В жидком состоянии молекулы располагаются в короткоживущих (преходящих) структурах, которые постоянно смещаются и изменяются. Силы между молекулами создают поверхностное натяжение, которое придает простые формы жидкости в целом, 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 еще 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 или плазмы.
Если эта последовательность рассматривается в обратном порядке, то по мере понижения температуры появляются все более сложные и организованные структуры, вначале наиболее стабильные и в конце наименее стабильные. 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 (Супрамолекулярные (от лат. supra — сверх, больше, над) — сверх- или надмолекулярные силы, в результате действия которых молекулы объединяются в структуры более высокого, надмолекулярного уровня организации.). 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 — что они могут возникнуть и существовать только ниже некоторой температуры. Их можно объяснить через внутреннюю энергию только до той степени, что из всех возможных структур будет стабильна лишь та, которой соответствует наименьшая потенциальная энергия, поэтому система будет стремиться спонтанно принять именно такую структуру.

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 ее методы уже не столь точны, сложность вычислений становится непреодолимой и могут использоваться только приближенные методы. Для сложных молекул и кристаллов детальные вычисления невозможны, по крайней мере на практике. Структуры молекул и расположение атомов внутри кристаллов могут быть определены эмпирическим путем, химическими и кристаллографическими методами; эти структуры действительно могут быть более или менее 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 серьезное 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, исходя из своих начальных принципов, не позволяет предсказать формы и свойства даже простых молекул и кристаллов. Ситуация становится еще хуже для жидкого состояния, для которого до сих пор 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 даже простейшей живой клетки.
Сейчас настолько распространено убеждение в том, что химия может 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 расчетов свойств веществ, в которых заинтересован химик. Для получения большей части информации о свойствах веществ химик все еще должен опираться на эксперимент» (Pauling (1960), с. 220.).

Хотя это было опубликовано двадцать лет назад и с тех пор были достигнуты значительные успехи в совершенствовании приближенных методов вычислений в квантовой химии, положение по существу не изменилось и сегодня.
Тем не менее можно возразить, что детальные расчеты в принципе могут быть сделаны. Но, даже допустив ради дискуссии, что такие расчеты можно осуществить, нельзя утверждать заранее, что они будут верными, то есть будут согласовываться 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.


Возможные комбинации различных количеств строительных блоков
Возможные комбинации различных количеств строительных блоков, которые можно соединять друг с другом либо концами, либо боками

Причины того, что трудно, если вообще возможно, предсказать форму сложной химической структуры, исходя из свойств составляющих ее атомов, может быть, можно сделать более понятными с помощью простой иллюстрации. Рассмотрим элементарные строительные блоки, которые можно добавлять друг к другу по очереди либо с концов, либо сбоку (смотрите на рисунке выше). С двумя строительными блоками имеем 2=4 возможные комбинации; с тремя — 2 = 8; с четырьмя — 24 = 16; с пятью — 25 = 32; с десятью — 2'° = 1024; с двадцатью — 220 = 1 048 576; с тридцатью — 230 = 1 073 741 824 и так далее. Число возможностей вскоре становится огромным.

Диаграммы, представляющие возможные структуры систем с возрастающей степенью сложности

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


В химической системе различные возможные расположения атомов имеют разные потенциальные энергии вследствие электрических и других взаимодействий между ними; система будет самопроизвольно стремиться обрести структуру с минимальной потенциальной энергией. В простой системе всего лишь с несколькими возможными структурами одна из них может иметь заметно меньшую энергию, чем остальные; на рисунке выше. А 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 (рисунок выше В, С, D); при этом вероятность существования уникальной структуры с минимумом энергии уменьшается. В ситуации, представленной на рисунке выше - D, несколько различных структур будут одинаково стабильными с энергетической точки зрения. Если бы оказалось, что система принимает любую из этих возможных структур наугад или если бы она колебалась между ними, тогда проблемы бы не было. Но если бы она неизменно принимала только одну из этих структур, это означало бы, что какой-то другой фактор, отличный от энергии, определяет, что реализуется именно эта особенная структура из всех других возможных. Но существование такого фактора физикой сегодня не признается.
Хотя химики, кристаллографы и молекулярные биологи и не могут проводить детальные расчеты, необходимые для предсказания для данной системы структуры или структур с минимальной энергией a priori, но они могут использовать различные приближенные методы в сочетании с эмпирическими данными по структурам подобных веществ. 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 приближенные результаты подтверждают идею о том, что энергетические соображения недостаточны для объяснения уникальной структуры сложных химических систем. Но этого вывода 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 расчетов могут быть использованы только приближенные 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 следующими соображениями 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, причем совсем необязательно каждый из них находит явное выражение при выборе между упаковками хлорида натрия и хлорида цезия. Для сложного вещества, такого как слюда, KalSi3O10(OH)2, или zunyite, Al13Si5O20(OH)10Cl, 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 путем индукции из структур, известных в 1928 году, а отчасти путем 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».

структура фермента фосфоглицераткиназы из мышцы лошади

Вверху: структура фермента фосфоглицераткиназы из мышцы лошади: α спирали представлены цилиндрами, β-нити — стрелками
Внизу: структура — α спирального участка в более крупноми масштабе (из Banks et al., 1979)

Диапазон возможных структур становится многое больше в органической химии, особенно в случае макромолекул, таких как белки, полипептидные цепи которых изгибаются, поворачиваются и складываются в сложные трехмерные формы (смотрите рисунок выше). Надежно установлено, что в условиях, в которых белковая молекула стабильна, она складывается в уникальную структуру.
В многочисленных экспериментах белки заставляли развертываться 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 свертывания, они приходят к одной и той же конечной структуре (Anfinsen and Sheraga (1975).).
Этой стабильной конечной точкой, повидимому, является 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, расчеты, проводимые для предсказания трехмерной структуры белков с использованием различных методов аппроксимации, неизменно дают слишком много решений. В литературе по свертыванию белков это известно как «проблема множества минимумов» (multiple-minimum problem) (Смотрите обзор Anfinsen and Sheraga (1975).).
Есть убедительные причины думать, что сам белок не «проверяет» все эти минимумы, пока не найдет один подходящий:

«Если бы цепь (полипептидная) исследовала все возможные конфигурации наугад, путем вращения вокруг различных одиночных связей в структуре, потребовалось бы слишком много времени для достижения природной конфигурации. Например, если отдельные остатки несвернутой 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 10 (хотя, конечно, большинство из них, вероятно, будут стерически невозможными). Если бы каждая конформация исследовалась с частотой вращения молекул (10 сек), что является переоценкой, для опробования всех возможных конформаций потребовалось бы примерно 10 лет. Поскольку синтез и свертывание цепи белка, такого как рибонуклеаза или лизоцим, занимают около 2 минут, ясно, что в процессе свертывания не перебираются все конформаций. 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 конформаций с самой низкой свободной энергией» (Anfinsen and Sheraga (1975).).

Но процесс свертывания не только может быть направлен по определенным путям, он может быть направлен также к одной особенной конформаций с минимальной энергией, выбранной из всех других возможных конформаций с той же самой минимальной энергией.
Это обсуждение приводит к общему выводу, что 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 в состоянии объяснить тот факт, что реализуется одна, а не другие из этих возможных структур. Поэтому можно себе представить, что фактор, отличный от энергии, выбирает между этими возможностями и, таким образом, определяет специфическую структуру, которую принимает система (Сравните с «принципом конечных классов» Эльзассера (Elsasser, 1975).).
Гипотеза, которая сейчас будет излагаться, основана на идее о том, что этот отбор осуществляется причинностью нового типа, пока еще не признанного физикой, — посредством морфогенетических полей.

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 слово «форма» включает не только форму внешней поверхности или границы системы, но также ее внутреннюю структуру. Предполагаемое возникновение формы вследствие действия морфогенетических полей названо здесь формативной причинностью, чтобы отличить ее от причинности энергетического типа, которой уже так основательно занимается физика (Различие между формативной причинностью и энергетической причинностью напоминает различие у Аристотеля между «формальными причинами» и «действенными причинами». Однако гипотеза формативной причинности, развиваемая в последующих главах, коренным образом отличается от теории Аристотеля, в ко¬ торой предполагалось существование изначально (извечно) данных форм.). Так как, хотя морфогенетические поля могут вызывать свои эффекты только в сочетании с энергетическими процессами, сами они неэнергетичны.
Идею неэнергетической формативной причинности легче понять с помощью аналогии из области архитектуры. Чтобы построить дом, нужны кирпичи и другие строительные материалы, также необходимы строители, которые кладут эти материалы в должном порядке, и, кроме того, план архитектора, определяющий форму дома. Одни и те же строители, делая одно и то же общее количество работы, используя одно и 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, это не единственная причина: эта форма никогда не могла бы быть создана без строительных материалов и работы строителей. Аналогичным образом специфическое морфогенетическое поле является причиной специфической формы, принимаемой системой, хотя оно не может 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 подчеркивает, что не всякая причинность должна быть энергетической, даже несмотря на то, что все процессы изменения 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 измеримого изменения массы или энергии — план просто исчезает. Подобно этому, согласно гипотезе формативной причинности, морфогенетические поля сами по себе неэнергетичны, но тем не менее они играют причинную роль в определении форм систем, с которыми связаны. Ибо, если бы система была связана с другим морфогенетическим полем, она бы развивалась иначе (С теоретической точки зрения причинная роль морфогенетических полей может быть проана¬лизирована в терминах «контр-фактических обусловленностей» (counterfactual condition¬als). Обсуждение этих последних можно найти у Mackie(1974).). Эта гипотеза может быть проверена опытным путем в тех случаях, когда морфогенетические поля, действующие на системы, могут быть изменены.
Морфогенетические поля можно рассматривать к аналоги известных физических полей в том отношении, что они способны упорядочивать физические изменения, несмотря на то что сами они непосредственно наблюдаемы. Гравитационное и электромагнитное по. представляют собой пространственные структуры, которые невидимы, неосязаемы, неслышимы, без вкуса без запаха; они могут быть обнаружены только через соответствующие гравитационные и электромагнитные эффекты. Для того чтобы объяснить тот факт, что физические системы влияют 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. В одном смысле они нематериальны, но в другом — являются аспектами материи, поскольку о них можно узнать что-либо лишь по их действию на материальные системы. В сущности говоря, научное определение материи просто было расширено, чтобы принять в рассмотрение эти поля. Подобно этому, морфогенетические поля есть пространственные структуры, обнаруживаемые только по их морфогенетическому действию на материальные системы; они также могут рассматриваться как аспекты материи, если определение материи еще более расширяется, чтобы включить и 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 определенного типа: так, должен быть один тип морфогенетического поля для протонов; другой для атомов азота; другой для молекул воды; другой для кристаллов хлористого натрия; другой для клеток мускулов земляных червей; другой для почек овцы; другой для слонов; другой для букового дерева и так далее.
Согласно организмической теории, системы или «организмы» иерархически организованы на всех уровнях сложности (Артур Кестлер предложил использовать тер¬мин «холон» для таких «саморегулирующихся открытых систем, которые проявляют как авто¬номные свойства целого, так и зависимые свой¬ства частей» (Koestler and Smythies (eds), 1969, с. 210 — 211). Этот термин применяется шире, нежели термин «морфическая единица» — на¬пример, он включает языковые и социальные структуры,— но он представляет очень похожую концепцию.). В нашем обсуждении эти системы будут называться морфическими единицами. Прилагательное «морфический» (от греческого корня morphē — форма) подчеркивает аспект структуры, а слово «единица» — единство или целостность системы. В этом смысле химические и биологические системы состоят из иерархий морфических единиц: например, кристалл состоит из молекул, 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 такого иерархического типа организации можно представить наглядно в виде диаграммы — либо как «дерево» А, либо как набор «китайских шаров» В (рисунок ниже):

Альтернативные варианты представления простой иерархической системы

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.