Как из хаоса возникает порядок кратко
Обновлено: 08.07.2024
Елена Владимировна Чернова — ведущий программист Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН. Область научных интересов — рост кристаллов, базы данных, обработка изображений.
Хаос — это порядок, который нужно расшифровать.
Новое — это хорошо забытое старое
Позволю себе еще одну цитату из Глейка:
Ретроспективу подобных воззрений можно обратить гораздо дальше в глубь истории. Один из основных принципов магии — неотъемлемой ступени развития любого общества — состоит в постулате: часть подобна целому. Он проявлялся в таких действиях, как захоронение черепа животного вместо всего животного, модели колесницы вместо самой колесницы и т. д. Сохраняя череп предка, родственники считали, что он продолжает жить рядом с ними и принимать участие в их делах.
А наш современник, американский кибернетик Рон Эглэш, исследуя культуру африканских племен и южноамериканских индейцев, сделал открытие: с древних времен некоторые из них использовали фрактальные принципы построения в орнаментах, узорах, наносимых на одежду и предметы быта, в украшениях, ритуальных обрядах и даже в архитектуре. Так, структура деревень некоторых африканских племен представляет собой круг, в котором находятся маленькие круги — дома, внутри которых еще более мелкие круги — дома духов. У иных племен вместо кругов элементами архитектуры служат другие фигуры, но они также повторяются в разных масштабах, подчиненных единой структуре. Причем эти принципы построения не были простым подражанием природе, но согласовывались с бытующим мировоззрением и социальной организацией [3].
Наша цивилизация, казалось бы, ушла далеко от первобытного существования. Однако мы продолжаем жить в том же мире, нас по-прежнему окружает природа, живущая по своим законам, несмотря на все попытки человека приспособить ее к своим нуждам. Да и сам человек (не будем забывать об этом) остается частью этой природы.
Герт Эйленбергер, немецкий физик, занявшийся изучением нелинейности, как-то заметил:
У истоков теории хаоса
Что мы понимаем под хаосом? Невозможность предсказать поведение системы, беспорядочные скачки в разных направлениях, которые никогда не превратятся в упорядоченную последовательность.
Первым исследователем хаоса считается французский математик, физик и философ Анри Пуанкаре. Еще в конце XIX в. при изучении поведения системы с тремя телами, взаимодействующими гравитационно, он заметил, что могут быть непериодические орбиты, которые постоянно и не удаляются от конкретной точки, и не приближаются к ней.
Рис. 1. Аттрактор Лоренца — набор траекторий в фазовом пространстве [5]
В 1972 г. математик из Мэрилендского университета Джеймс Йорк прочитал вышеупомянутую статью Лоренца, которая поразила его. Йорк увидел в статье живую физическую модель и посчитал своей святой обязанностью донести до физиков то, чего они не разглядели в работах Лоренца и Смэйла. Он направил копию статьи Лоренца Смэйлу. Тот изумился, обнаружив, что безвестный метеоролог (Лоренц) десятью годами раньше обнаружил ту неупорядоченность, которую он сам посчитал однажды математически невероятной, и разослал копии всем своим коллегам.
Биолог Роберт Мэй, друг Йорка, занимался изучением изменений численности популяций животных. Мэй шел по стопам Пьера Ферхлюста, который еще в 1845 г. обратил внимание на непредсказуемость изменения численности животных и пришел к выводу, что коэффициент прироста популяции — величина непостоянная. Иными словами, процесс оказывается нелинейным. Мэй пытался уловить, что случается с популяцией в момент приближения колебаний коэффициента роста к некоторой критической точке (точке бифуркации). Варьируя значения этого нелинейного параметра, он обнаружил, что возможны коренные перемены в самой сущности системы: увеличение параметра означало возрастание степени нелинейности, что, в свою очередь, изменяло не только количественные, но и качественные характеристики результата. Подобная операция влияла как на конечное значение численности популяции, находившейся в равновесии, так и на ее способность вообще достигнуть последнего. При определенных условиях периодичность уступала место хаосу, колебаниям, которые никогда не затухали.
К середине 80-х годов ситуация сильно изменилась. Идеи фрактальной геометрии объединили ученых, озадаченных собственными наблюдениями и не знавшими, как их интерпретировать. Для исследователей хаоса математика стала экспериментальной наукой, компьютеры заменили собой лаборатории. Графические изображения приобрели первостепенную важность. Новая наука дала миру особый язык, новые понятия: фазовый портрет, аттрактор, бифуркация, сечение фазового пространства, фрактал.
Бенуа Мандельброт, опираясь на идеи и работы предшественников и современников, показал, что такими сложными процессами, как рост дерева, образование облаков, вариации экономических характеристик или численности популяций животных управляют сходные, по сути, законы природы. Это определенные закономерности, по которым живет хаос. С точки зрения природной самоорганизации они намного проще, чем искусственные формы, привычные цивилизованному человеку. Сложными их можно признать лишь в контексте евклидовой геометрии, поскольку фракталы определяются посредством задания алгоритма, и, следовательно, могут быть описаны с помощью небольшого объема информации.
Фрактальная геометрия природы
Капуста Романеско, родственница хорошо всем знакомой цветной капусты. Фото В. Ц. Бонджоловой
Слово фрактал происходит от латинского fractus — дробленый, сломанный, разбитый на куски. Под фракталом подразумевается математическое множество, обладающее свойством самоподобия, т. е. масштабной инвариантности.
Математическое понятие фрактала выделяет объекты, обладающие структурами различных масштабов, как больших, так и малых, и, таким образом, отражает иерархический принцип организации. Конечно, различные ветви дерева, например, не могут быть точно совмещены друг с другом, но их можно считать подобными в статистическом смысле. Точно так же формы облаков, очертания гор, линия морского берега, рисунок пламени, сосудистая система, овраги, молния, рассматриваемые при различных масштабах, выглядят подобными. Хотя эта идеализация и может оказаться упрощением действительности, она существенно увеличивает глубину математического описания природы.
Рис. 3. Множество Мандельброта для процесса х → х 2 + C . Изображенная фигура показывает соответствие различным значениям параметра C различных типов множеств Жюлиа. Оттенки цвета соответствуют линиям, отражающим динамику критической точки x = 0 [5]
Интересно проследить путь, которым Мандельброт шел к своим открытиям. Бенуа родился в Варшаве в 1924 г., в 1936 семья эмигрировала в Париж. Окончив Политехническую школу, а затем и университет в Париже, Мандельброт переехал в США, где отучился еще и в Калифорнийском технологическом институте. В 1958 г. он устроился в научно-исследовательский центр IBM в Йорктауне. Несмотря на чисто прикладную деятельность компании, занимаемая должность позволяла ему вести исследования в самых разных областях. Работая в области экономики, молодой специалист занялся изучением статистики цен на хлопок за большой период времени (более 100 лет). Анализируя симметрию длительных и кратковременных колебаний цен, он заметил, что эти колебания в течение дня казались случайными и непредсказуемыми, однако последовательность таких изменений не зависела от масштаба. Для решения этой задачи он впервые использовал свои разработки будущей фрактальной теории и графическое отображение исследуемых процессов.
Для описания подобных явлений Мандельброту пришло в голову отталкиваться от идеи размерности. Фрактальная размерность объекта служит количественной характеристикой одной из его особенностей, а именно — заполнения им пространства.
Лес, нарисованный на оконном стекле художником-морозом (дендриты кристаллов льда)
Итак, с математической точки зрения, фракталом называется множество, для которого размерность Хаусдорфа — Безиковича строго больше его топологической размерности и может быть (а чаще всего и является) дробной.
Необходимо особо подчеркнуть, что фрактальная размерность объекта не описывает его форму, и объекты, имеющие одинаковую размерность, но порожденные различными механизмами образования, зачастую совершенно не похожи друг на друга. Физические фракталы обладают скорее статистическим самоподобием.
Дробное измерение позволяет вычислять характеристики, которые не могут быть четко определены иным путем: степени неровности, прерывистости, шероховатости или неустойчивости какого-либо объекта. Например, извилистая береговая линия, несмотря на неизмеримость ее длины, обладает присущей только ей шероховатостью. Мандельброт указал пути расчета дробных измерений объектов окружающей действительности. Создавая свою геометрию, он выдвинул закон о неупорядоченных формах, которые встречаются в природе. Закон гласил: степень нестабильности постоянна при различных масштабах.
Хаотические явления, такие как турбулентность атмосферы, подвижность земной коры и т. д., демонстрируют сходное поведение в различных временных масштабах подобно тому, как объекты, обладающие инвариантностью к масштабу, обнаруживают сходные структурные закономерности в различных пространственных масштабах.
Микрофотографии различных веществ, сделанные с помощью электронного микроскопа: фторид иттрия (а), алюмоиттриевый гранат (б), окись магния (в), фторид бария (г). Фото С. В. Лаврищева
Поскольку фракталы выражаются не в первичных геометрических формах, а в алгоритмах, наборах математических процедур, понятно, что такая область математики стала развиваться семимильными шагами вместе с появлением и развитием мощных компьютеров. Хаос, в свою очередь, вызвал к жизни новые компьютерные технологии, специальную графическую технику, которая способна воспроизводить удивительные структуры невероятной сложности, порождаемые теми или иными видами беспорядка. В век Интернета и персональных компьютеров то, что представляло значительную сложность во времена Мандельброта, стало легко доступным любому желающему. Но самым важным в его теории стало, разумеется, не создание красивых картинок, а вывод, что данный математический аппарат пригоден для описания сложных природных явлений и процессов, которые раньше не рассматривались в науке вообще. Репертуар алгоритмических элементов неисчерпаем.
В заключение позвольте представить вашему вниманию набор фотографий, иллюстрирующих этот вывод, и фракталов, построенных с помощью компьютерной программы Fractal Explorer. А проблеме использования фракталов в физике кристаллов будет посвящена наша следующая статья.
Фотографии природных объектов, демонстрирующих фрактальное строение, и фракталы, построенные с помощью компьютерной программы Fractal Explorer: вид на Землю с самолета (а, участки земли, расчерченные на многоугольники, береговая линия протоков и рукавов рек, так же, как и облака, демонстрируют статистическое самоподобие); переплетение древесных ветвей (б); завихрения водного потока (в); морозные узоры на стекле (г); колонии водорослей и моллюсков (д); типичные дендриты, часто встречающиеся в природе, здесь — гриб Hericium coralloides (е). Фото автора
Post Scriptum
* Диффеоморфизмы Аносова — введенный Д. В. Аносовым класс отображений с хаотической динамикой, устойчивой относительно малых возмущений.
Если кратко: в хаосе не заложен порядок (см. здесь мой комментарий) , но есть свойство материи, которое объясняет возможность ее самоорганизации или, грубо говоря, "стремление" к порядку. Это флуктуация.
Полный ответ на Ваш вопрос потребовал бы от Вас достаточно глубокого знания физики, и как минимум, термодинамики и квантовой физики. Именно развитие этих направлений физики позволило сначала поставить вопрос о возможности самоорганизации материи, а затем ответить на него.
Но я попробую объяснить "на пальцах".
Вы доводилось гулять по песчаному берегу моря или реки? Это не только "релакс", но и хороший способ привести в порядок мысли. А если думаешь а самом порядке, то можно и найти кое-что полезное. Например.. .водоросли и щепки, которые волнами прибило к берегу. Порой их так много, что они образуют сплошную полосу, показывая максимальный прилив. Вот эта полоска и есть простенький пример самоорганизации, когда хаотично плавающие щепки и водоросли выстраиваются в неком устойчивом порядке.
Но задумывалоись ли Вы, почему их прибило к берегу? Ведь если бы волны были одинаковыми, то одной волной щепочку выносило бы на песок, а следущей уносило бы обратно (я упрощаю) . И прилив тоже не объясняет это явление, ведь приливное изменение очень медленное. Суть в том, что амплитуда отдельно взятой волны немного отличается от значения, определяемого ветром и приливом. эти отличия носят хаотичный характер. На пике прилива какой-то случайно более сильной волной щепку выбрасывает туда, где ее долго (или никогда) не достанет прибой.
Чтобы понять, как же происходит саморганихация на разных уровнях материи, стоит познакомиться с теорией хаоса, понятием о детерминированно-хаотических системах, почитать труды по синергетике, отдельно рекомендую книгу Ильи Пригожина и Изабеллы Стенгерс Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой.
Хаос рождает Порядок.
Мысли, хаос и порядок
Мысли ветвятся в порядке хаоса,
Хаос, как мысли о вечном порядке,
Порядок наступит и хаос сломается
И мысли со мною играть будут в прятки.
Без мысли нет жизни, лишь черные стены,
А мать порядка - анархия, хаоса сестра
Пускает в мысли свои меткие стрелы,
Чтоб хаос в порядке настал с утра.
Мысленный хаос разрушит порядок,
Чтоб воспарить черным вороном над землей,
Чтоб стало в мыслях меньше загадок,
Чтоб все в порядок пришло и покой.
Потому вот он рождается, что хаос, в отличии от как бы застывшего порядка, находится в беспрерывном движении, в развитии, это вот как бы живые кусочки ЛЕГО, если их завертеть, то, сцепляясь меж собой, эти частички и будут рождать сцепленностью нечто, что уже будет упорядоченно.
Хаос самоорганизуется таким образом-и это вот пожалуй самое удивительное, поскольку наталкивает на размышления-а так ли уж только человек способен мыслить, что вот если и мыслит-то он потому только, что состоит из частичек-атомов хаоса))
Можно задуматься, что есть хаос и что есть порядок и, в итоге, придти к более важному вопросу - так, из хаоса ли рождается порядок? Мы можем устроить в квартире погром, разбросать вещи и для нас это будет - хаос. Мы можем прибраться, разложить вещи по местам и для нас это будет - порядок. Можно ли апеллировать бытовыми понятиями в понимании сути устройства мира? Нет. Современное устройство мира для нас - порядок, но что тогда хаос? Когда планеты и миры как-то иначе разбросаны по комнате? Или, может быть, когда вообще нет ничего? Хм.. . Их порядка может рождаться только порядок, но иной, не привычный для нас, поэтому старый порядок станет для нас "хаосом". Почему из порядка рождается опять порядок? Потому что из порядка не может родиться хаос.
В массе случайностей проявляется закономерность.
А вопрос"почему"- адресован к причине. Причина, как показывает опыт, не познаваема.
Излюбленным аргументом креационистов является утверждение о невозможности самопроизвольного развития сложных структур из простых на основе случайных изменений. Действительно, здравый смысл вроде бы подсказывает, что, сколько бы мы ни ворошили лопатой кучу мусора, ничего полезного и принципиально нового из обрывков и обломков само собой не соберется. Креационисты очень любят приводить эту аналогию (она известна во многих вариантах). Часто в этом контексте поминают также второе начало термодинамики, согласно которому якобы невозможен самопроизвольный рост упорядоченности — сам собой нарастать может только хаос.
Все это, сказать по правде, полная ерунда. Подобные рассуждения изобилуют логическими ошибками: аналогии не соответствуют объясняемому феномену, а физические законы привлекаются не к месту, то есть делается попытка применить их за пределами установленной для них области применимости. Например, второе начало термодинамики справедливо только для изолированных систем, которые не получают энергии из внешней среды. Живые организмы, напротив, всегда получают энергию извне и, расходуя часть этой энергии на повышение упорядоченности внутри себя, создают при этом порядочный хаос снаружи. Суммарная неупорядоченость (энтропия) всей системы (организм + среда) при этом растет. Поэтому никакого противоречия между развитием жизни и вторым началом термодинамики попросту не существует. Возможность самоорганизации — самопроизвольного рождения порядка из хаоса — показана экспериментально и обоснована теоретически для самых разных типов открытых неравновесных систем.
Белки с одинаковой функцией могут сильно различаться по структуре. Вот аминокислотная последовательность фермента фруктозо-бисфосфат альдолазы жгутиконосца Euglena gracilis. Это один из ферментов гликолиза — важного биохимического процесса, в ходе которого, как мы помним, клетка тратит часть энергии, заключенной в молекуле глюкозы, для синтеза двух молекул АТФ без использования кислорода. Каждая буква соответствует определенной аминокислоте (P — пролин, D — аспарагиновая кислота, F — фенилаланин, K — лизин и т. д.):
PDFPKDLKGV LDGNQVRTLF DFAQKKGFAI PAVNCTSSST VNVVLERARD THNPVIIQVS QGGAAFYCGK GVKDEKLIAS VDGSVALAHH VRAVAHTMAP VVVHSDHCAK KLLPWFDGML DADGEIFCEH GVPLFSSHML DLSEENDEED IGTCVKYFTR MAKLNLWLEM EIGMTGGVED GVDNSGVAND KLYTSSEQVF AVHKALGASS PNFSIAAAFG NVHGVYKPGN VKLQPNLLKE HQDYARKQLS SSEDHPLYLW FHGPSGSTDA EIHEAVRNGV VKMNLDTDMQ WAYWDGLRQF EAKKHDYLQG QIGNPEGPDK PNKNYYDPRK WIREAELGML ARVKVAFKAV ELPGGLKEFI GIP[46].
А вот тот же самый фермент бактерии Mycoplasma pneumoniae:
MLVNIKQMLQ HAKQHHYAVP HININNYEWA KAVLTAAQQA KSPIIVSTSE GALKYISGHQ VVVPMVKGLV DALKITVPVA LHLDHGSYEG CKAALQAGFS SIMFDGSHLP FQENFTKSKE LIELAKQTNA SVELEVGTLG GEEDGIVGQG ELANIEECKQ IATLKPDALA AGIGNIHGLY PDNWKGLNYE LIEAIAKATN LPLVLHGGSG IPEADVKKAI GLGISKLNIN TECQLAFAKA IREYVEAKKD LDTHNKGYDP RKLLKSPTQA IVDCCLEKMQ LCGSTNKA[47].
На первый взгляд заметить сходство между этими белками очень непросто. На второй, впрочем, тоже. А ведь это, по молекулярно-генетическим меркам, весьма похожие друг на друга, близкородственные белки! У них есть длинный сходный участок (от 16-й до 333-й аминокислоты первой молекулы и от 5-й до 265-й аминокислоты второй), в пределах которого совпадает целых 25% аминокислот. Кроме того, некоторые другие аминокислоты в двух белках хотя и разные, но близкие по своим химическим свойствам.
Реакция, которую катализирует фермент фруктозо-бисфосфат альдолазы.
Такой уровень сходства при сравнении белков представителей разных надцарств живой природы (мы сравнивали эукариот с бактериями) считается очень высоким. В данном случае, возможно, этот результат объясняется тем, что предки эвглены сравнительно недавно приобрели соответствующий ген путем горизонтального переноса от каких-то бактерий. У высших эукариот фруктозо-бисфосфат альдолазы этого семейства вообще не встречаются. У нас с вами, например, они совсем другие.
Тем не менее эти столь разные белки примерно с одинаковой эффективностью выполняют одну и ту же работу, то есть катализируют одну и ту же биохимическую реакцию.
Конечно, не все различия между разными белками, выполняющими одну и ту же функцию, случайны и бессмысленны. Некоторые из них обеспечивают тонкую подстройку фермента под конкретные особенности той или иной клетки. Однако, как показывает генно-инженерная практика, довольно часто эти белки оказываются вполне взаимозаменимыми. Это значит, что если заменить у какого-либо организма его собственный ген на чужой, кодирующий фермент, тот же по функции, но иной по структуре, то такой генно-модифицированный организм с большой вероятностью окажется вполне жизнеспособным.
Однако изготовить высокоэффективный белковый фермент с изначально заданными свойствами методом искусственной эволюции — дело довольно долгое и трудоемкое. Поэтому ученые в последние годы прикладывают большие усилия, чтобы не только выявить, но и понять связи между последовательностью аминокислот и функцией белка. Если эта цель будет достигнута, ферменты с заданными свойствами можно будет проектировать, то есть просто вычислять на компьютере искомую последовательность аминокислот. Это сэкономит огромные средства и позволит осуществить настоящую революцию в химической промышленности. Ведь ферменты — чрезвычайно эффективные катализаторы, способные в тысячи раз ускорить синтез чуть ли не любых химических соединений.
Вообще белки — удивительные вещества, заключающие в себе немало парадоксов. Как мы уже знаем, многие аминокислоты, входящие в состав белковой молекулы, могут быть заменены или удалены без заметного изменения свойств белка. С другой стороны, замена всего одной-двух аминокислот в активном центре белковой молекулы может привести к радикальному изменению свойств фермента. В большинстве случаев, конечно, фермент от этого портится, снижает производительность или вовсе становится нефункциональным. В других случаях это может привести к модификации или даже полной смене функции, то есть к появлению нового фермента.
Конечно, разумное просчитанное проектирование может значительно ускорить создание новых белков, на которое эволюции требуются миллионы лет. Иногда, впрочем, белки с новыми функциями возникают в природных популяциях живых организмов гораздо быстрее — буквально за считанные годы или даже месяцы.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Глава 9. Общественный порядок без любви
Глава 9. Общественный порядок без любви … и в сердце вечный хлад Гёте Противопоставление анонимной стаи и личной связи, которым мы закончили предыдущую главу, означает лишь, что эти два механизма социального поведения в весьма значительной степени исключают друг друга;
У павианов главное — порядок
У павианов главное — порядок Многие виды стадных животных пришли к сходному решению проблемы полов: во избежание бесконечных стычек и драк самец изгоняет из стада ставших половозрелыми самцов, включая и собственных сыновей. Плодовитость стада от этого не страдает, так
Порядок
Порядок Закон, который я довольно расплывчато называю порядком или правильностью, очень важен в искусстве и дизайне, особенно в дизайне. Опять же, этот принцип так очевиден, что трудно говорить о нем так, чтобы это не звучало банально, но обсуждение зрительной эстетики
4. Навыки и порядок их отработки
4. Навыки и порядок их отработки Понятие о навыках. При дрессировке собаку приучают выполнять определенные действия. Каждое из действий, отрабатываемое у собаки при дрессировке, обозначается как навык. Навыки дрессировки весьма разнообразны и различны по своему
Порядок рождения и манипулирование родительским вкладом у человека
Порядок рождения и манипулирование родительским вкладом у человека В исследованиях в области эволюционной антропологии в последние годы большое внимание уделяется вопросу о роли раннего социального опыта в формировании особенностей поведения человека и его
Глава 7. Порядок и хаос в обществе.
Глава 7. Порядок и хаос в обществе. Самая главная и наиболее эффективная [сила], гарантирующая длительное сохранение… власти — это не насилие во всех его формах, используемое власти предержащими для управления подчиненными, а все виды уступок, на которые идут
Первую свою работу в зарубежном научном журнале Александр Сергеевич Спирин опубликовал в 1958 г., и это был Nature. А 219-я по счету статья (если верить PubMed) вышла буквально на днях в Scientific Reports. Между ними — почти 60 лет, отданных молекулярной биологии. Александру Сергеевичу легко удается совмещать, казалось бы, несовместимые вещи: открытия мирового уровня с высоким индексом цитирования, прорывные гипотезы с лабораторным экспериментом, большую науку и научное администрирование. И, конечно, преподавание в МГУ, его альма-матер, которое продолжается с 1964 г. и по сей день.
Секрет в его изложении довольно прост: наука — самое главное и самое интересное в жизни. Занимаясь ею, нельзя отвлекаться на второстепенные вещи. Еще он максималист и абсолютно непримирим в принципиальных вопросах, и это знают все в академии.
— А почему к живому? Ведь то, что мы исследуем, может быть частью и живого, и неживого, и принцип один и тот же. Вот рибосомы, которые я изучаю в течение многих лет, — это, можно сказать, органеллы наноразмера (200 Å), ответственные за синтез всех белков живого мира, один из основных, или даже основной, процесс жизни. Но ведь сами они неживые, хотя и обязательно присутствуют внутри каждого живого организма. И именно их малые размеры определяют целый ряд свойств и закономерностей, присущих микромиру и проявляющихся и работающих внутри живого.
Что же такое рибосома? Можно дать такое определение: это молекулярная наномашина, способная считывать генетическую информацию, закодированную в виде последовательности нуклеотидов матричной РНК, которую она пропускает (протягивает) через себя, и в соответствии со считываемой информацией и синхронно с ее прочтением синтезировать белок из аминокислот, поступающих в рибосому в виде аминоацил-тРНК. Сама же рибосома построена из специальной рибосомной РНК, две молекулы которой — большая и малая — образуют структурный каркас для большой и малой субъединиц соответственно. Меньшая доля приходится на специальные рибосомные белки рибосомы.
В микромире совершенно другие условия, при таких размерах порядка быть не может, и тем не менее все прекрасно работает. Это не сразу понятно, но когда проникаешь в суть, все становится ясно и делается интересным. Основной принцип такой: не надо ничего толкать, тащить, не надо ничего строить — просто ждать и отсекать ненужное, лишнее, используя возможность, предоставляемую окружающей обстановкой.
— Можно ли сказать, что в микромире из хаоса рождается порядок? Все основано на случайностях. Но кто играет роль демона Максвелла? Это аналог чего?
— Аналог механизма, который отсекает неверные движения и отбирает полезные. Демон Максвелла применительно к рибосоме — это устройство с АТФ, которое распадается, ловит энергию, снова распадается, снова ловит, в общем, настоящий чертик. Работа состоит в закрывании и открывании возможностей.
— Довольно сложно: не только обычному человеку, но и не всякому исследователю дано понять…
— Если вернуться к вашей гипотезе о том, как все зарождалось, микромир с его законами дал начало всему?
— Согласно вашей гипотезе, при происхождении мира действовал тот же закон, что при рождении из хаоса порядка?
— Некоторые исследователи, в том числе молекулярные биологи, признают существование Бога. Как вы считаете, это несовместимые вещи?
— Несовместимые, на мой взгляд. Однажды в Америке коллега пригласил меня домой, и я попал в неудобное положение: они перед едой всегда молятся, а я этого не понял, да и не мог предположить. Этот человек был исследователем-естественником, как говорят, до мозга костей, мы мыслили с ним в одних категориях.
Однако многие исследователи допускают существование Бога, но я этого просто не понимаю. Это должны быть очень глубокие следы детства. Или, возможно, из-за недостаточного знания физики. Мы ведь мало понимаем, что происходит в сфере физики малых объектов. Возможно, только сейчас начинаем понимать.
Я работаю не на самом микроуровне, а все-таки на относительно больших объектах микромира, и уверен, что здесь все поддерживается логикой и физикой, поскольку вы можете в точности наблюдать, как работают эти системы.
— Ваши собственные взгляды на микромир как-то менялись в течение жизни?
— А когда это понимание к вам пришло?
Безусловно, я начал свои работы с рибосомами не на пустом месте. Моим учителем был Андрей Николаевич Белозерский, который, собственно, основал российскую научную школу исследователей нуклеиновых кислот. В Советском Союзе идеи молекулярной биологии легли на подготовленную почву и получили развитие во многом благодаря тому, что эта школа уже существовала. Я вошел в эту науку в 1956 г., начав анализ состава нуклеиновых кислот в бактериях. Первая моя работа, выполненная вместе с А.Н. Белозерским, была опубликована в Nature в 1958 г. Тогда она стала научной сенсацией.
До того момента считалось, что, поскольку функция РНК — только перенос информации от ДНК к белкам, РНК должна повторять специфический нуклеотидный состав (соотношение четырех сортов азотистых оснований) ДНК. Я проанализировал нуклеотидный состав ДНК и РНК у 20 видов бактерий и обнаружил, что состав ДНК сильно различается у разных видов, тогда как у РНК он сравнительно стабилен. Последующая обработка данных показала, что небольшая фракция РНК действительно копирует ДНК (так была предсказана информационная, или матричная РНК — мРНК). Однако основная масса РНК не задействована в переносе генетической информации, схожа у разных организмов и выполняет какую-то иную роль. Это был первый шаг на пути к рибосомам — универсальным белок-синтезирующим частицам, структурная РНК которых и составляет основную массу тотальной клеточной РНК. В 1960 г. я впервые выделил рибосомы и начал новый цикл работ. Сначала я вплотную занимался физико-химией РНК как биополимера, ее макромолекулярной структурой, и на этом защитил докторскую диссертацию, а потом уже перешел к изучению функций, к биосинтезу белка.
— Вы занимаетесь фундаментальной наукой, но может ли знание этих механизмов как-то повлиять на практические решения в биомедицине?
— Но все-таки закономерности могут оказаться полезными, например, для генной инженерии?
— Есть только один способ: не надо продуцировать заданные свойства, надо просто оставлять хорошее. Не улучшать, а избавляться от плохого.
— А синтез молекул с заданными свойствами?
— Ничего не даст. Только отбор. Хорошее само будет расти. Можно, конечно, протянуть ниточку: если мы знаем реальный механизм синтеза белка, наверное, могут быть соответствующие выходы — лечить дефекты, усиливать продукцию белков. Но я этим не интересуюсь, я считаю, что это отвлекает от главного — изучения фундаментальных механизмов. Новые фундаментальные знания гораздо важнее отдельных практических изобретений, они приводят к гораздо более крупным решениям многих проблем и на протяжении намного более длинного периода времени. Раньше умные люди не делали подобных прогнозов на будущие практические применения фундаментальных научных открытий, поскольку предсказать, к чему приведут новые знания, в большинстве случаев невозможно.
Кстати, сейчас подобное потребительское отношение власти к науке представляет настоящую угрозу и может привести к гибели. Сам это испытал. В свое время я создал производственную технологию синтеза белка в бесклеточных системах и считаю, что это был неправильный шаг, поскольку я потратил много времени, отняв его у чистой науки, где изучаются фундаментальные принципы. Наука — отдельная область знаний, и фундаментальным исследователям не надо заниматься прикладными вещами, потому что для них это гибель. Есть люди, которые, наоборот, занимаются прикладной наукой, и им не надо создавать теории — у них это не получится.
— Вы с середины 1960-х гг. читаете на биологическом факультете МГУ курс лекций по молекулярной биологии. Я завидую вашим нынешним студентам, но, с другой стороны, догадываюсь, что им приходится очень нелегко на экзамене. Они вообще быстро схватывают этот сложнейший материал?
— Не быстро. Их неправильно учат. Надо уже в школе изучать особенности существования малых тел. Но физику даже в университете биологам преподают безобразно, и так было всегда. Помню, когда я учился в МГУ, профессор с физфака рассказывал нам очевидные вещи, совершенно не нужные биологам.
Мне повезло, потому что у меня был школьный друг Сергей Гордон, который собирался поступать на физфак, и мы с ним проводили много времени, обсуждая физику, решая задачи. Я прочел Я.И. Перельмана, а затем и том физики для вузов. И мне потом было просто работать, поскольку я владел физическим языком, чего очень не хватает многим биологам. Я обращался по этому поводу с письмом в министерство — что надо знать студентам, заканчивающим биофак. Им не столько нужна, например, оптика, нужно выбрать основные фрагменты и хорошо подать их ребятам, потому что потом они уже этому нигде не научатся. Сейчас же многие из них не знают даже закон Архимеда.
Но, повторяю, мне помог мой друг, а не система обучения.
— Трудно сказать, по-настоящему мало кто. Я действительно часто ездил в Америку, был хорошо знаком и с Джеймсом Уотсоном, и с Фрэнсисом Криком, и с другими известными исследователями, но это была уже работа, а не равное партнерство, поскольку я шел с возрастным и научным отставанием. Крик был старше, ряд ученых в Калифорнии, которые очень помогли мне, конечно, опережали меня. Поэтому мне пришлось быстро догонять. И я очень благодарен, в первую очередь А.Н. Белозерскому, и даже не за то, что он научил меня чему-то, а за то, что предоставил полную свободу, это очень редкое качество для руководителя.
Но еще, пожалуй, все-таки Фрэнсис Крик. Он был по-настоящему гениальным: проблема только чуть-чуть просматривается, а он уже своим интеллектом схватывает, доводит до первой гипотезы, причем продуктивной, которая потом полностью подтверждается. Уотсон — отличный ученый, умный, но творцом был Крик. Кстати, у Уотсона биологическое образование, а у Крика было физическое. Он обладал колоссальной интуицией и логикой по отношению к той системе, в которую он вглядывался.
Фрэнсис Крик, как известно, умер от рака, а Джеймс Уотсон стал директором Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор, лучшей в США, по моему мнению. Но это назначение фактически означало конец его работы в науке. Он уже не публиковал блестящих статей, и основная его деятельность свелась к добыванию денег. Будучи нобелевским лауреатом, он только этим и занимался. К сожалению, это судьба многих хороших исследователей, активно работавших в молодости и впоследствии ставших начальниками, администраторами.
— А вам как удалось этого избежать? Более 30 лет вы руководили Институтом белка, оставаясь глубоко в науке, продолжая делать собственные открытия. Сейчас вы уже не директор, а наука по-прежнему с вами.
— Мне это интересно, я этим живу, и у меня получается, а от этого становится еще интересней. Кроме того, я бескомпромиссный. Когда институт создавался, я ставил свои условия и стоял намертво. Конечно, огромную роль в моей судьбе сыграл М.В. Келдыш, который в то время был президентом академии наук. Создать такой институт было его идеей, он выбрал меня и очень поддержал и в самом начале, и впоследствии.
Я никогда не был членом партии и поначалу меня никуда не выпускали. Келдыш, став президентом академии, попросил меня рассказать ему про биологию, и я ему одному читал персональные лекции в течение двух месяцев. Он содействовал моей первой поездке в Америку.
Американцы на меня нацелились сразу. Я сделал доклад по своим работам на Гордоновской конференции, он понравился, и мне предложили посетить несколько лабораторий, самых продуктивных и интересных в то время. Посетив их, я понял, как должна быть устроена настоящая наука: маленькая лаборатория в маленьком институте, да еще желательно в маленьком городе. Вернувшись, я узнал, что принято решение о создании в Пущине Института белка.
— А в вашем понимании что должен делать директор?
— Я не допускал глупостей и на научном уровне, и на административном. Чтобы их не было на научном уровне, я устроил директорские семинары, каждую неделю по субботам в десять утра, куда приглашались все замы, руководители лабораторий и кто-то из исследователей с отчетом. Мы написали неофициальный устав института: лаборатория должна состоять из пяти человек, включая заведующего, потому что если сотрудников больше, руководитель перестает работать сам. А всего в институте должно быть не более 30 научных сотрудников. Сейчас — около 50.
Так что в субботу я занимался администрированием, а всю неделю — только наукой. И получилось! В каком-то смысле тут использовалась модель микромира — порядок из хаоса, просто отбирать лучшее и не давать идти назад. Мы с пустого места сверкнули отличными работами, получился прекрасный институт.
— Вернемся к этой модели: вы опубликовали это исследование в начале 2000-х гг. Над чем работаете сейчас?
— Как выгладит такой эксперимент в лаборатории?
— Мы воспроизводим РНК в бесклеточных системах, помещаем туда рибосомы, подаем энергию, ну а самописец фиксирует движения. Это недорого. Самое дорогое в таком эксперименте — выделить белки. Мы в лаборатории воспроизводим бесклеточную систему биосинтеза белка.
— Вы не испытываете трудностей с публикациями?
— В целом нет, но иногда приходится бороться с дураками. Потому что второй аргумент того рецензента был следующим: у вас бесклеточная система, а надо все делать в клетке. Я ответил ему, что благодаря бесклеточной системе только Крику и удалось разрешить загадку генетического кода всего за несколько месяцев.
Это должно быть врожденное чувство — бороться за правду, приводить аргументы, дискутировать Большинство людей этого не делают. Обычный прием: не пробивать статью, а искать другой журнал более низкого уровня. А я так не хочу, я сторонник публикаций только в журналах высокого уровня. И не только потому, что это обеспечивает импакт-фактор, но и из принципа: с какой стати я отдам свою работу, которую считаю хорошей, в низкоуровневый журнал?
— А вы институт отдали в хорошие руки, есть преемственность?
— Только если в институте будут следовать нашим старым правилам. Пока это выполняется. Заветы Келдыша выполнялись долго, даже после его смерти, вплоть до последнего времени. Сейчас в РАН возникла угроза объединения институтов, и я по этому поводу сделал четкое заявление и сказал нынешнему директору: чем бы ни угрожали, чем бы ни привлекали — мы объединяться не будем. Пусть денег не дают, но самостоятельность важнее. Объединение — это конец науки в институтах. Я ведь из Америки приехал очень заряженный тем, как маленькие лаборатории и институты создают науку. А Кембридж — знаете какое там было главное место? Столовая! Так ответили кембриджские основатели молекулярной биологии. Там происходило общение. У нас аналогом были наши субботние заседания.
— А ученики? Есть кто-то, кто полностью перенял у вас и отношение к науке, и научную линию?
— Трудный вопрос. Думаю, нет. Почти все мои ученики работают в Америке. Я сам способствовал их устройству, давал рекомендации, советы — когда нужно ехать и куда. Здесь они, конечно, тоже могли бы работать, в нашем институте лучше, чем во многих других в России, но все равно не с тем размахом. Масштаб другой.
— Что же делать тем, кто работает здесь?
— Стараться сделать по максимуму, тогда удастся сделать хоть что-то. В некотором смысле течение науки не зависит от внешних обстоятельств. Скорость работы ими определяется, но оригинальных идей не становится меньше. Главное — не бояться и отстаивать свою позицию.
Беседовала Елена Кокурина
Справка
Александр Сергеевич Спирин
Ученый-биохимик, академик РАН, член президиума РАН.
В 1954 г. окончил биолого-почвенный факультет МГУ.
В 1957 г. поступил в аспирантуру Института биохимии им. А.Н. Баха АН СССР в лабораторию под руководством А.Н. Белозерского.
С 1964 г. и по сей день читает курс лекций по молекулярной биологии в МГУ.
В 1967 г. основал в Пущине Институт белка АН СССР, которым руководил с даты основания до 2001 г.
Хроника открытий
Разработка концепции рибосомы как молекулярной наномашины, использующей тепловое (броуновское) движение для направленного перемещения вдоль матричной цепи информационной РНК (1985–2011).
Читайте также: