Случайность и необходимость

Эти явления, поразительные по своей сложности и эффективности исполнения заранее заданной программы, наводят на мысль, что ими управляет реализация неких «когнитивных» функций. Физик девятнадцатого века Джеймс Максвелл приписывал такую функцию своему микроскопическому демону. Как мы помним, этот гипотетический персонаж, поставленный у отверстия в перегородке между двумя замкнутыми сосудами с газом, должен был без всяких энергетических затрат открывать и закрывать идеальный люк, дабы воспрепятствовать прохождению определенных молекул из одного сосуда в другой. Таким образом, привратник мог «выборочно» пропускать быстрые (высокоэнергетические) молекулы в одном направлении, а медленные (низкоэнергетические) – в другом. Со временем из двух замкнутых сосудов, первоначально имевших одинаковую температуру, один становился горячее, а другой холоднее – и все это без видимого потребления энергии. Сей воображаемый эксперимент вызвал у физиков бесконечное недоумение: посредством осуществления своей когнитивной функции демон явно нарушал второй закон термодинамики. А поскольку эту когнитивную функцию нельзя было ни измерить, ни даже определить с физической точки зрения, «парадокс» Максвелла, казалось, не поддавался операционному анализу.

Ключ к разгадке нашел Леон Бриллюэн, опираясь на более ранние работы Сциларда: он показал, что осуществление демоном своей когнитивной функции должно неизбежно влечь за собой потребление некоего количества энергии, которое полностью компенсирует уменьшение энтропии внутри системы в целом. Чтобы люк работал «разумно», демон должен сначала измерить скорость каждой молекулы газа. Любые расчеты – то есть получение информации – предполагают взаимодействие, а любое взаимодействие предполагает энергозатраты.

Эта знаменитая теорема стала одним из источников современных представлений об эквивалентности информации и отрицательной энтропии. Здесь она интересует нас потому, что на микроскопическом уровне ферменты выполняют функцию упорядочивания. Но это упорядочивание, как мы уже убедились, имеет свою цену; оно происходит за счет потребления химического потенциала. Вкратце, ферменты действует точно так же, как демоны Максвелла в видении Сциларда и Бриллюэна: они истощают химический потенциал в процессах, выбираемых исполняемой ими программой.

Запомним основную мысль, изложенную в этой главе: именно благодаря способности образовывать стереоспецифичные и нековалентные комплексы с другими молекулами белки осуществляют свои «демонические» функции. В последующих главах мы не раз убедимся в решающем значении этого ключевого понятия как конечной интерпретации наиболее характерных свойств живых организмов.

IV Микроскопическая кибернетика

Благодаря своей чрезвычайной специфичности «обычный» фермент (как и те, что были рассмотрены в качестве примеров в предыдущей главе) представляет собой абсолютно независимую функциональную единицу. «Когнитивная» функция «демонов» сводится к распознаванию специфического субстрата, к исключению как всех других соединений, так и всего, что может происходить внутри химического аппарата клетки.

Функциональная согласованность клеточных механизмов

Взглянув на схему, отражающую наши нынешние познания о клеточном метаболизме, мы можем предположить, что даже если бы на каждом этапе все ферменты выполняли свою работу идеально, в клетке царил бы хаос, если только они бы не были каким-то образом взаимосвязаны в согласованную систему. В действительности же мы имеем явные свидетельства чрезвычайной эффективности химических процессов живых существ, от «простейших» до самых сложных.

Нам, конечно, давно известно о существовании у животных систем, координирующих работу организма: такова основная функция нервной и эндокринной систем, обеспечивающих взаимосвязь между органами и тканями, то есть между клетками. Кроме того, сегодня мы знаем, что внутри каждой клетки существует не менее (если не более) сложная кибернетическая сеть, гарантирующая функциональную согласованность внутриклеточных химических механизмов и открытая в ходе недавних исследований. Большинство были проведены всего двадцать, другие – пять-десять лет назад.

Регуляторные белки и механизмы регуляции

В настоящее время мы по-прежнему далеки от полного понимания системы, управляющей метаболизмом, ростом и делением бактерий – простейших из известных нам клеток. Тем не менее благодаря тщательному анализу отдельных частей этой системы сегодня мы достаточно хорошо понимаем принципы, по которым она работает. Именно эти принципы мы и обсудим в этой главе. В частности, мы увидим, что элементарные операции управления выполняются специализированными белками, служащими детекторами и преобразователями химической информации.