Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем

Взаимосвязь между количеством генов, типами клеток и аттракторами в соответствующих двоичных сетях для различных биологических видов

Самосозидание

Самоограничение означает, что протяженность системы определяется границей, которая одновременно является неотъемлемой частью сети.

Самопорождение означает, что все компоненты, включая элементы границы, создаются как продукты процессов, происходящих внутри сети. Самосохранение означает, что процессы производства длятся непрерывно таким образом, что все компоненты постоянно заменяются в ходе системных процессов преобразования.

Хотя клетка бактерии — простейшая из автопоэзных систем, встречаемых в природе, недавние эксперименты в ШПУ показали, что химические структуры, удовлетворяющие критериям автопоэзной организации, могут быть созданы и в лаборатории. Первая из этих структур, предложенная Луиси и Варелой в их теоретической статье, известна химикам как мицелла. По существу, это капелька воды, окруженная тонким слоем молекул, по форме напоминающих головастиков, с «головками», притягивающими воду, и «хвостами», отталкивающими воду (см. рис. 9–5).

Рис. 9–5. Схематическое изображение капельки-мицеллы

При определенных обстоятельствах такая капелька становится вместилищем химических реакций, продуктами которых являются специальные вещества: они самоорганизуются в настоящие пограничные молекулы, которые выстраивают структуру и обеспечивают условия для протекания реакций. Таким образом создается простая химическая автопоэзная система. Как и в компьютерной имитации Варелы, реакции происходят внутри границы, построенной из самих продуктов реакций.

После первого примера автопоэзной химии исследователям из ШПУ удалось создать другой тип химической структуры, которая еще больше соответствует клеточным процессам, поскольку ее основные ингредиенты — так называемые жирные кислоты — являются материалом стенок в реальных клетках. Эксперименты состояли в формировании сферических водяных капелек, окруженных оболочками из этих жирных веществ; оболочки имели типичную полупроницаемую структуру биологических мембран (но без их протеиновых компонентов) и генерировали каталитические циклы, приводя к становлению автопоэзной системы. Ученые, проводившие эти эксперименты, предположили, что подобные типы систем могли быть первыми замкнутыми самовоспроизводящимися химическими структурами, возникшими до эволюции бактериальной клетки. Если это верно, то, значит, ученым удалось воспроизвести первые минимальные формы жизни.

Организмы и сообщества

Исследования по теории автопоэза до сих пор касались, главным образом, минимальных автопоэзных систем — простых клеток, компьютерных имитаций и недавно открытых автопоэзных химических структур. Гораздо меньше исследований было проведено по изучению автопоэза многоклеточных организмов, экологических и социальных систем. Поэтому сегодняшние представления о сетевых паттернах в этих живых системах все еще носят преимущественно умозрительный характер26.

Все живые системы — это сети более мелких компонентов, а паутина жизни в целом — многослойная структура живых систем, вложенных в другие живые системы — сети внутри сетей. Организмы — это совокупности автономных, но тесно связанных клеток; популяции — это сети автономных организмов, принадлежащих отдельным видам; а экосистемы — это паутины организмов, как одноклеточных, так и многоклеточных, принадлежащих многим различным видам.

Все эти живые системы роднит то, что их мельчайшими живыми компонентами всегда служат клетки, и поэтому мы можем с уверенностью сказать, что все живые системы в конечном счете автопоэзны. Тем не менее возникает интересный вопрос: являются ли более крупные системы, состоящие из автопоэзных клеток, — организмы, сообщества и экосистемы — автопоэзными по своей сути?

В книге «Древо познания» Матурана и Варела утверждают, что наше сегодняшнее знание о деталях метаболических направлений в организмах недостаточно для того, чтобы дать ясный ответ, и поэтому они оставляют вопрос открытым:

Единственное, что мы можем сказать: [многоклеточные системы] операционно закрыты в своей организации; их идентичность определяется сетью динамических процессов, воздействие которых не выходит за пределы этой сети. Но, наблюдая эту организацию в ее видимой форме, мы ничего не сможем добавить к сказанному27.

В дальнейшем авторы подчеркивают, что три типа многоклеточных живых систем — организмов, экосистем и сообществ — радикально различаются по степени автономии своих компонентов. В организмах клеточные компоненты обладают минимальной степенью автономного существования, тогда как компоненты человеческих сообществ, индивидуальные человеческие существа, наделены максимальной степенью автономии, наслаждаясь множеством измерений независимого существования. Сообщества животных и экосистемы занимают промежуточные положения между этими двумя экстремумами.