Журнал "Компьютерра" №707

Волшебные формулы оживления

Автор: Максимцов, Евгений

Средневековые попытки создать искусственную жизнь в форме гомункулусов, разного рода некробиотов и тому подобных "неаппетитных" объектов имеют с современными мало общего. Уже потому хотя бы, что нынешнее поколение исследователей (а не магов!) подходит к решению этой сложнейшей и красивейшей задачи, совершенно забыв о "святости" объекта изучения и "греховной недопустимости" вторжения в область деятельности Творца.

…Незыблемо печально элегическое 
высказывание Макса Планка. Знаете, он 
говорил так: "Никогда новые вещи не 
воспринимаются современниками. Вообще 
никогда. А просто умирают авторы, а 
следующим поколениям неясны причины 
споров. О чем же они спорили?.."

Симон 
Шноль

Долгое время проблема дифференциации живого и неживого не имела удовлетворительного решения, и вовсе не потому, что над этим мало думали. Думали немало. Но думали не те и не так.

В чем состояла трудность?

Интуитивное представление о живом как о чем-то растущем, развивающемся, эволюционирующем, и, напротив, о мертвом - как о спонтанно разрушающемся, деградирующем, не помогало в главном - не позволяло ответить на простые вопросы: почему так происходит? И чем одно принципиально отличается от другого?

Похоже, первые конструктивные попытки дать ответы на эти вопросы связаны с анализом причин движения, имеющего место во всех физических системах без исключения. Кстати, уже сам факт исследования живых систем с позиций физической науки (а не теургии, религиозных и религиозно-философских систем) говорит о многом. По меньшей мере о том, что - по Максу Планку - адепты старого знания просто-напросто вымерли…

Итак, феномен движения. Точнее сказать - само-движения.

1824 год. Карно опубликовал свой труд "Размышления о движущей силе огня". Движущим началом был назван теплород, который впоследствии стал также считаться одной из разновидностей "жизнеосновы" и претендентом на роль элементарной жизненной эманации, идентифицироваться с элементарной живой сущностью, элементалом огня [Представления об элементалах огня, равно как и других стихий природы, возникли гораздо раньше. - Прим. ред.] и т. п. Впрочем, попытки выделить теплород в чистом виде не увенчались успехом, и представления о причинах движения в физических системах стали уточняться и оформляться в прообраз будущей термодинамики.

В сороковых годах XIX века сын английского пивовара из Манчестера Джеймс Прескотт Джоуль (1818–89), к счастью для нас, не пошедший по стопам отца, экспериментально доказал, что теплота в физических процессах не сохраняется, следовательно, она не есть вещество. Правда, объяснить толком, что она собой представляет, он не смог.

В 1847 году в Оксфорде Джоуль повстречался с Уильямом Томпсоном, лордом Кельвином (1824–1907), в то время возглавлявшим кафедру натуральной философии Университета Глазго, и рассказал ему о своих затруднениях. Говорят, лорд Кельвин был раздосадован, поскольку свою преподавательскую работу строил на базе идей теплорода Карно. Тем не менее в работе "К динамической теории теплоты" он прямо допустил существование двух форм или видов движения - механического и теплового, что позволяет примирить друг с другом теории Карно и Джоуля. Вопрос перехода тепла в механическое движение и наоборот стал, вероятно, фундаментальнейшим вопросом физики того времени, поскольку затрагивал сферу научного мировоззрения, выходя далеко за пределы исследования причин движения.

Принципиальное решение проблемы дал немецкий физик Карл Филипп Готлиб (1822–88), прославившийся в науке под псевдонимом Клаузиус. В 1850 году он опубликовал фундаментальный труд "О движущей силе теплоты", в котором ввел понятие энтропии. Диаграммы изменения энтропии при исследовании химических процессов стал широко использовать Гиббс (1839–1903).

Энтропия как характеристика, связанная с упорядоченностью физических систем, позволила впервые проанализировать качественные свойства процессов движения в живых и неживых объектах. В частности, оказалось, что энтропия изолированной физической системы в процессах движения стремится к увеличению, что было сформулировано в виде Второго начала термодинамики [По Клаузиусу, Второе начало звучит так: "Теплота не может переходить от холодного тела к теплому сама собой, даровым способом". Больцман утверждал: "Природа стремится к переходу от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным". Существуют и другие эквивалентные формулировки].

Напротив, живые системы явно демонстрируют полное пренебрежение этим великим принципом, уменьшая в процессе жизнедеятельности присущую им энтропию.

Собственно, вот мы и подошли к главному. Критерий, позволяющий определить, какую физическую систему мы конструируем - живую или мертвую, оказался прост. Если система замкнута, способна лишь "двигаться на излете", растрачивая исходный запас энергии, значит, она мертва. Хотя и может демонстрировать весьма активное и сложное поведение, определенным образом структурировать себя, но… Таковы все наши машины и механизмы. С момента рождения они уже мертвы. Такой вот парадокс…

Конструировать живую (в термодинамическом смысле) систему можно лишь в классе открытых систем, не подпадающих под "юрисдикцию" Второго начала. Строго говоря, здесь возникает некоторая неопределенность терминов. "Открытая система" - это ведь не объект, а скорее процесс, протекающий в границах некоего объема пространства, который лишь для внешнего наблюдателя будет восприниматься как объект. И даже не один процесс, а множество: процессы обмена веществом и энергией с окружающей средой, процессы самоструктурирования, эволюции, процессы приема и обработки информации… Впервые об этом писал основатель общей теории систем Людвиг фон Берталанфи (1901–72). Рассматривая живой организм как систему, он отмечал, что живые тела с точки зрения термодинамики являются открытыми системами, а неживые тела функционируют как закрытые системы, то есть не обмениваются веществом и энергией с окружающей средой.

Здесь уместно привести примеры таких термодинамически "живых" объектов-процессов: пламя костра, огонь, бегущий по бикфордову шнуру… В последнем случае, очевидно, система способна к самодвижению. Подобных примеров читатель может найти множество, однако не следует забывать, что мы сейчас говорим лишь о "жизни" как определенной категории термодинамических процессов и не более. Мы не случайно взяли здесь слово "жизнь" в кавычки. Сами по себе горящие дрова или порох бикфордова шнура - всего лишь системы, увеличивающие свою энтропию, растрачивая имеющиеся запасы химической энергии, то есть вполне подвластные Второму закону термодинамики.

Устойчивое существование имеет место, пока поддерживаются нужные условия, однако эти условия могут разрушаться самим существованием нелинейной системы. Так, автокаталитические реакции, производящие собственный катализатор, убыстряющимися темпами исчерпывают запасы реагентов, приближая собственный конец, если запасы реагентов не пополняются. Такое пополнение может осуществляться искусственно в лабораторной установке или естественно за счет обмена веществ в организме. Но ни в том, ни в другом случае не может быть вечным.

Таким образом, целостность связана с темпоральностью в смысле временности, преходящести существования и в том случае, когда система способна к динамической устойчивости.

Добронравова И.С., Физика живого как феномен постнеклассической науки//Физика живого. 2001. Т.9. №1.

Точка зрения

Что является 
характерной особенностью жизни? Когда мы 
считаем материю живой? Тогда, когда она 
продолжает делать что-либо, двигаться, 
участвовать в обмене веществ с 
окружающей средой и т. д., - все это в 
течение более длительного отрезка 
времени, чем, по нашим ожиданиям, могла 
бы делать неодушевленная материя в 
подобных условиях.

Эрвин 
Шредингер

Огромной преградой для практической разработки идей конструирования искусственных живых объектов в XIX–XX веках стала… сама биология.

Классическая биология, как наука о природе живого, издавна развивалась в русле идей эволюционизма Дарвина. Этот подход не то чтобы был закрыт для попыток глубокой физической интерпретации исследуемых явлений, но как бы не нуждался в них. Попытки ряда ученых описывать биологические процессы с позиций классической термодинамики лишь подтвердили уже известные факты и не дали новых идей для моделирования или экспериментального воспроизведения процессов возникновения живого.

Общую теорию систем, о которой мы упоминали выше, развивали не биологи. Процессы в живых системах стали рассматриваться как подмножество реализаций общесистемных законов - здесь активность проявляли "системщики". На другом фронте квантовые физики с энтузиазмом пытались применить свои теории для описания феномена жизни - здесь радикальную позицию занял Шредингер (да, да, тот самый, чье имя носит знаменитое уравнение). Он попросту заявил, что процессы жизнедеятельности несводимы к известным законам классической физики, поскольку "жизнь - это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время".

Механизмы поддержания этой упорядоченности и даже ее увеличения стали понятны много позднее - лишь в рамках теории самоорганизации.

Сегодня мы можем с большой долей уверенности утверждать, что наконец-то овладели теоретическим аппаратом, который может стать инструментом не просто описания процессов жизнедеятельности, но и практического проектирования живых систем "с нуля".

Еще раз отметим, что на первых порах мы не ставим перед собой задачу воспроизвести сразу весь спектр известных свойств земных биологических объектов, включая изменчивость и наследственность. Важно понимать, что в рамках решения задачи искусственного создания живых систем конкретные, соответствующие этим свойствам механизмы могут быть построены на совершенно иных принципах, нежели это "сделано" в природе. Лучше выйдет или хуже - вопрос другой.

Кроме того, широта охвата явлений, присущая синергетике, позволяет с ее помощью синтезировать жизнеподобные (в смысле самоорганизации) системы самой разной природы - начиная от физико-химических и кончая геофизическими. Во всех известных на сегодня системах, которые демонстрируют жизнеподобное поведение, возникающее вследствие процессов самоорганизации, главным является наличие большого числа элементов, играющих роль небиологических аналогов клеток организма. Обычно этими элементами являются молекулы, входящие в состав системы. Вот как об этом писала философ и синергетик А. Баблоянц: "при удалении от состояний химического равновесия… химические реакции "оживают". Они чувствуют время, распознают информацию, различают прошлое и будущее, правую и левую стороны. Реакции могут проявлять различные формы самоорганизации, например, образовывать мозаичные структуры".

Завершая этот раздел, хотелось бы отметить, что все формы жизни, которые, вероятно, удастся построить на базе физических или химических процессов самоорганизации, по сути своей окажутся столь далекими от нас и нашего обычного интуитивного понимания живого, что никакого "диалога разумов" скорее всего не получится (если даже разработчикам удастся наделить искусственные системы функциями самоидентификации в среде обитания и обработки информации). А ведь теоретически подобные живые системы могут существовать в природе, появившись естественным (самоорганизация!) путем. Отсюда нетривиальные вопросы: как их распознать? и как с ними все-таки договориться?

Мнение

Вот что получается, 
когда исследователь вместо того, чтобы 
идти параллельно и ощупью с природой, 
форсирует вопрос и приподнимает завесу: 
на, получай Шарикова и ешь его с 
кашей.

проф. 
Преображенский

 (Михаил 
Булгаков, "Собачье сердце")

Вернемся к более привычным формам живого. Как уже говорилось, функционирование живой системы возможно лишь в ограниченном объеме пространства, в который необходимо непрерывно подводить вещество и энергию и откуда вовне будут поступать высокоэнтропийные "отходы жизнедеятельности". Конечно, сразу напрашивается аналогия с клеткой, однако почти сферическая капсула не является единственной формой ограничения пространства функционирования неравновесной системы. Возможна, к примеру, реализация в форме полого волокна, квазидвумерных слоистых структур "бутербродов"; в случае реализации неравновесных процессов в жидкости "стенками" клетки могут быть границы раздела фаз вещества; если же мы синтезируем живую систему на базе неравновесных процессов поглощения-излучения электромагнитной энергии (как в лазерах на основе распределенных в пространстве рабочего тела периодических неоднородностях показателя диэлектрической проницаемости), границы могут быть даже неосязаемы физически, так как будут представлять собой поверхности "нулевого коэффициента усиления" - поверхности, на которых коэффициент обратной связи распределенного резонатора будет "обнуляться".

Тем не менее абсолютное большинство исследователей, занятых практическим изготовлением искусственных живых объектов, экспериментируют именно с клеточными структурами. Почему?

Голый прагматизм, в общем, никогда не являлся атрибутом научного поиска, однако желаемый практический результат научного исследования или пионерской технологической разработки, конечно же, в немалой степени определяет методики и подходы к созданию нового. Сегодня нам нужны живые системы, во многом аналогичные или полностью повторяющие "конструкции" естественных систем. Просто потому, что мы знаем, как они должны работать, - мы это видим на естественных аналогах.

Ясно, что проще (технологически проще) иметь дело с самообновляемой клеточной структурой, в которой синтезируется нужное нам химическое вещество, чем переводить синтез в систему реакторов, вводя в рассмотрение огромное число дополнительных параметров, связанных с объемными эффектами, температурными и концентрационными градиентами и т. п. Если же мы хотим создать развивающийся организм, то клеточная модель строения как нельзя лучше соответствует принципу дифференциации функций клеток взрослого организма.

Афоризм

Наша жизнь, в 
сущности, кукольное представление. Нужно 
лишь держать нити в своих руках, не 
спутывать их, двигать ими по своей воле 
и самому решать, когда идти, а когда 
стоять, не позволять

дергать 
за них другим, и тогда ты вознесешься 
над сценой.

Хун 
Цзычен

Искусственные клеточные мембраны с нужными характеристиками молекулярной проницаемости сегодня научились делать на базе жироподобных веществ - фосфолипидов, однако внутриклеточный объем пока что моделируют жестким каркасом из микропористого аэрогеля, позволяющего поддерживать клеточную мембрану. Подобные "изделия" уже могут иметь практическое значение как "микрозаводы" по выработке тех или иных белков. Вспомним, что еще три года назад ученым из Института Пастера (Франция) совместно с японскими коллегами удалось создать искусственную клетку диаметром 0,01 мм и поместить аминокислоты и другие вещества, необходимые для функционирования клетки, внутрь мембраны ДНК медузы. В результате через сутки искусственная клеточная структура выровняла свою форму, стала сферической, и в ней начался нормальный синтез заданного белка. Режим деления клетки воспроизвести пока не удалось. Аналогичные проекты осуществлены во многих странах мира. Итальянская группа Джованни Муртаса из римского Центра им. Энрико Ферми летом нынешнего года "запустила" искусственную клетку трубчатой топологии.

Вообще же конструированием искусственных клеток различного назначения (включая искусственные аналоги нейронов головного мозга, клетки-сенсоры человеческого уха, клетки-импланты печени и др.) на базе естественных компонентов (мембран, внутриклеточных органелл, цитоплазмы) только в США занимается больше ста лабораторий. В Европе - около двух десятков. Сколько-нибудь надежных данных о разработках россиян у автора нет.

Одним из самых сложных, но и самых увлекательных объектов конструирования, пожалуй, можно считать искусственные генетические структуры. Как известно, в процессе жизнедеятельности каждая клетка производит лишь обусловленные генетической программой белки, строя их из соответствующих природных аминокислот. Так вот, еще в 2001 году Ли Вонг и Питер Шульц из Океанографического института в Калифорнии сумели встроить в естественный геном бактерии кишечной палочки компоненты, которые позволили ей "работать" с аминокислотами, вообще не встречающимися в природе.

Впоследствии подобную модификацию удалось осуществить в клетках дрожжей. Модифицированные клетки оказались способными синтезировать белковые молекулы, которые обычно не производит ни один земной организм. Эти разработки, конечно, весьма перспективны для медицины, так как одной из конечных целей экспериментов является создание модифицированных лейкоцитов человеческой крови, умеющих вырабатывать белки, которые эффективно разрушают раковые клетки непосредственно в теле больного.

Не менее интересны эксперименты с не встречающимися в природе формами ДНК. Шестибуквенный генетический алфавит разработал и "изготовил" Стивен Беннер из Университета Флориды. Недавно этот алфавит был применен для быстрого обнаружения вирусов атипичной пневмонии. Джек Шостак из Массачусетского госпиталя вообще отказался от "использования" рибозы в структуре нуклеиновой кислоты, заменив ее разновидностью сахара. Экспериментирует с небывалыми ДНК также Эрик Кул в Стэнфордском университете. Сейчас исследователи пытаются заставить все эти конструкции работать в живых клетках.

Не все читатели располагают собственной биотехнологической или физико-химической лабораторией, чтобы проводить в ней исследования жизнеподобных систем. А попробовать иной раз так хочется…

К счастью, в Сети есть много ресурсов, посвященных разнообразным формам компьютерного моделирования искусственной жизни. Там же можно найти и соответствующие программы, большинство из которых доступны бесплатно. Увы, почти все программы, имея богатую функциональность, снабжены крайне бедным интерфейсом. Впрочем, они ведь писались для профессионалов, а им командная строка и вывод результатов в виде таблицы - самое то… К тому же надо уметь читать по-английски.

Итак. Tierra, разработанная Томасом Рэем из Оклахомского университета. Последняя версия 6.02 (2004 г.) находится по адресу www.his.atr.jp/~ray/tierra. Tierra представляет собой виртуальную среду выполнения программ, которые способны взаимодействовать друг с другом, размножаться, мутировать и эволюционировать.

Далее. Клон Tierra по имени Helix, позволяющий очень наглядно иллюстрировать процесс эволюции программ в "среде обитания".

Вот другое развитие идей Tierra - программа Avida.

Еще одна модель искусственной жизни - SWARM. Предназначена для изучения коллективного поведения большого числа автономных программных агентов (не путать с агентами Смитами из "Матрицы"! Хотя, в принципе, об этом и речь).

Похожим образом построена система BIBA (Bayesian Inspired Brain and Artefacts) французского Института информатики и математических приложений. Изюминкой системы является наличие средств нейронного самообучения.

Очень интересна программа PolyWorld для моделирования экологических систем.

И наконец, сайт проекта "цифровой биологии" www.biota.org, где есть множество картинок искусственных существ, и забавный ресурс www.ventrella.com, откуда можно скачать программы визуализации всевозможных искусственных зверюшек, которые будут жить и эволюционировать на вашем компьютере.