Владимир Леонидович Воейков — доктор биологических наук, профессор кафедры биоорганической химии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Область научных интересов: биологические функции воды, биофотоника, законы биологической эволюции, физико-химические основы биологической активности, свободно-радикальные и колебательные процессы в водных системах и их роль в биоэнергетике. В. Л. Воейков является почётным работником Высшего образования Российской Федерации, заместителем Главного редактора журнала “Water Journal. Multidisciplinary Research Journal” (www.waterjournal.org), Лауреат Золотой медали Ильи Пригожина, учрежденной в 2004 году University of Siena (Италия) и Wessex Institute of Technology (Великобритания).
Как известно, вода — это жизнь, а человек в некотором смысле представляет собой структурированную воду. Вы – эксперт по воде. Расскажите о свойствах воды в живых системах.
Жизнь как понятие находится в том же ряду, что и время, пространство, энергия, информация и вещество. И мы, биологи, изучаем эту жизнь по ее проявлениям, только изучая то, что в самом широком смысле этого слова можно назвать «живыми системами»: от клетки до биосферы.
Традиционно воду – доминирующий компонент живой материи рассматривают лишь как растворитель, в котором протекают биохимические реакции и считают, что она не отличается от обычной воды. Однако возьмем такое живое существо, как медуза. Более 99% массы медузы приходится на долю воды, а массовая доля белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, солей и так далее в ее теле ничтожна. Вода медузы представлена теми же молекулами, что и вода, в которой медуза обитает, но эта «живая вода» принципиально отличается от «обычной» хотя бы потому, что в нее не проникают соли из морской воды, несмотря на отсутствие каких-либо полупроницаемых пленок на границе между медузой и ее средой. Очевидно, что состояние воды медузы определяется смачиваемыми ею биополимерами, хотя они составляют ничтожную часть ее массы.
Не только вода, но и дыхание имеет значение для жизни. У Вас есть интересные результаты о связи дыхания с водным обменом.
Дыхание – основной источник энергии живых систем. Суть его заключается в восстановлении кислорода до воды электронами, поставляемыми их донорами – «горючими» веществами, что эквивалентно горению. Обычно в роли доноров электронов рассматривают пищевые вещества, в первую очередь, жиры и углевода. Но роль воды в их «горении» не учитывают, хотя то, что вода, представляющая собой основной молекулярный компонент всех живых существ, выступает в роли катализатора горения, было обнаружено очень давно.
А совсем недавно было открыто, что особым образом структурированная вода, подобная «воде медузы» может сама служить донором электронов для кислорода. Отсюда следует, что при определенных условиях вода может выступать в роли «пищи» – ее окисление может быть не менее, если не более ценным источником энергии, чем окисление обычных пищевых веществ.
Жизнь — понятие фундаментальное. Какими Вы видите основные принципы живых систем?
Чтобы что-то проявляло какую-то активность, например, двигательную, для этого необходима энергия. Источники свободной энергии, то есть энергии, которая может превратиться в какую-то работу (самая простая форма работы — это движение), у машин и неживых систем лежат вне их структур. Неживые системы являются пассивными трансформаторами свободной энергии в работу.
Но жизнь, как мы прекрасно знаем, вездесуща. В последнее время стали все больше и больше изучать ту жизнь, которая чрезвычайно активна и сложно устроена — то есть это не какие-то анаэробные микроорганизмы, а активнейшие животные, — но которые обитают там, где нет ни света, ни кислорода, а температура окружающей среды лежит в диапазоне от 2 до 4 градусов по Цельсию. Такие животные обитают на дне океана, вплоть до Марианской впадины. Там существуют крупные живые организмы, которые, между прочим, и активнее, и даже по размерам крупнее, чем их ближайшие родственники, обитающие на поверхности. Солнца там никакого нет, а тем не менее жизнь процветает. Вполне возможно, что она там и зародилась (сейчас так считают уже многие ученые). И никакого солнечного света для того, чтобы эта жизнь существовала, не нужно. Эти животные не упали сверху на дно океана, а существуют там в течение всего периода, о котором нам что-либо известно.
Они живут в жидкой воде, а вода жидкая потому, что есть небольшое количество тепла, достаточное для того, чтобы вода не была льдом, а оставалась жидкой. Это уже энергия. И эти живые организмы превращают небольшую энергию в чрезвычайно интенсивную, с помощью которой они осуществляют всю свою жизнедеятельность, ничуть не менее сложную, чем жизнедеятельность биоты, которую мы видим здесь, на поверхности, своими глазами.
Протоплазма живой клетки находится в состоянии чрезвычайно далеком от равновесия, а такая система может осуществлять работу. Суть этой работы раскрыл Э. С. Бауэр. Сформулированный им Принцип устойчивого неравновесия гласит: “Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях». Другими словами, живые системы обеспечивают как самосохранение, так и увеличение способности выполнять работу на всех уровнях их организации, начиная с надмолекулярного, за счет собственной активности. Для поддержания структур живых систем в неравновесном состоянии необходимо их постоянно возобновлять, и, согласно Бауэру, «…химическая энергия пищи употребляется в организме для создания свободной энергии структуры (структурной энергии), для построения, возобновления, сохранения этой структуры, а не непосредственно превращается в работу».
Определение того, что из себя представляет живая система, сводится к простому тезису: живые системы непрерывно работают, чтобы остаться живыми. Если они прекращают эту деятельность, то они перестают быть живыми.
Есть еще один биологический закон — закон зависимости численности вида животных от массы индивидуальных представителей каждого вида. Вот, например, мелкое животное — мыши, определенный вид. Сколько мышей — представителей этого вида на земном шаре? Число их на земном шаре где-то в районе 109, то есть примерно миллиард особей. Если мы посмотрим на каких-то животных ближе к нам по размерам — например, медведь, лошадь и так далее, то численность представителей видов этих животных будет существенно меньше. Какова, например, численность особей шимпанзе? Или горилл? Или макак? Это будет величина порядка 100 000 штук данного вида (не обезьян вообще, а принадлежащих к конкретному виду с соответствующей конкретной массой). Численность же человека уже сегодня превышает на пять порядков ту величину, которую он должен был бы иметь как представитель соответствующего биологического вида. Вот это — особенность человека, только он вылетает из этой, опять же гиперболической, зависимости.
Есть еще один показатель, который у человека сильно отличается от животных – мозг. Отношение скорости потребления кислорода мозгом человека к скорости потребления кислорода телом вместе с мозгом в 2,3 раза больше, чем у приматов, и у дельфинов и всех остальных. Это приведенная величина, приведено все к массе. Что это значит — повышенная энергетика человека?
Вообще для чего нужна энергетика с биологической точки зрения? Она нужна для того, чтобы за время биологически осмысленной жизни накопить столько энергии, чтобы можно было оставить жизнеспособное потомство, которое опять накопит столько же энергии, чтобы оставит жизнеспособное потомство и так далее. А у человека появился избыток. В результате человек располагает большим запасом свободной энергии, чем нужно для его выживания как биологического вида.
Есть ли у глобального кризиса, в который вступило все сегодняшнее человечество как целая живая система, какие-то биологические предпосылки?
Мы вступили сейчас в такое состояние, которое называют все «глобальный кризис». Ну, разговоры о глобальном кризисе в основном сводятся к обсуждению финансовых, экономических, социальных проблем, которые рано или поздно возникнут. Откуда возник глобальный кризис? Откуда он появился? Сегодня можно прочитать массу обвинений в адрес тех–сих, пятых–десятых, конкретных личностей и отдельных государств, которые якобы спровоцировали глобальный кризис.
На самом деле глобальный кризис был четко предсказан еще в 1960 году. Тогда в журнале «Science» была опубликована статься Хайнца фон Фёрстера, одного из основателей кибернетики второго порядка, под таким кричащим названием «Судный день: пятница, 13 ноября, 2026 года после Рождества Христова» (Foerster, H. von, P. Mora, and L. Amiot. 1960. Doomsday: Friday, 13 November, A.D. 2026. At this date human population will approach infinity if it grows as it has grown in the last two millennia. Science 132: 1291–1295).
В этой статье Хайнц фон Фёрстер проанализировал кривую роста человечества на земле и пришел к выводу, что эта кривая растет не по экспоненциальному закону, как все думали, исходя из априорной теории Мальтуса (о том, что размножение — что человека, что бактерии — идет в геометрической прогрессии), а по закону, называемому «гиперболическим». Что значит «гиперболический закон»? А это значит, что если что-то увеличивается по гиперболическому закону, то в какой-то момент времени это что-то станет бесконечным по численности. И Фёрстер этот момент времени, когда человечество должно стать бесконечным по численности, подсчитал, получилось: пятница, 13 ноября 2026 года. Выходит, человечество погибнет не от голода, поскольку этот момент наступает очень быстро, а от давки. Это, естественно, чья-то шутка.
Ждать осталось недолго. Но ведь это абсурд! Абсурд, хотя бы уже потому, что этого не может быть, поскольку не может быть никогда. Математическая функция может уходить в сингулярность, а физически ни одни процесс бесконечностью никогда не кончается. Что-то должно круто измениться — это называется «система переходит в режим обострения» — для того, чтобы физическая система, может быть, видоизменившись, но осталась. Но то же самое относится и к живой системе, каковой является человечество: эта живая система должна очень сильно измениться.
Что такое демографический переход. Это торможение. Это переход функции от одного закона к другому. Закон гиперболического роста прекратил свое действие. И, по данным Капицы, это произошло в 1964 году. В этом году относительный прирост населения достиг максимума, а дальше стал уменьшаться. А на границе последнего десятилетия ХХ века и первого десятилетия XI века и абсолютный прирост населения тоже стал уменьшаться. Демографический переход — это замедление абсолютного прироста населения, которое дальше начинает перерастать в явление, называемое депопуляцией.
Как работает гиперболический закон применительно к численности человечества?
Если сравнить 1850 год и 1990 год, население выросло в 4,3 раза, а количество энергии, которой овладело человечество, выросло в 17 раз. То есть, объем энергии на каждого человека (понятно, что объем потребляемой энергии распределяется неравномерно по земле, но мы рассматриваем чисто статистические данные) увеличился пропорционально квадрату от числа людей. И, кстати говоря, если этот закон соблюдается, то демографический переход и дальнейшая депопуляция будет соответственно сказываться на том количестве энергии, которым владеет человечество. Между прочим, откуда в наше время весь этот шум и гам по поводу энергии? Не потому, что ее не хватает, а потому что прирост на душу населения стал осуществляться медленнее, чем раньше, и мы почувствовали этот — даже не дефицит, а как бы приближение дефицита.
Наблюдается ли демографический переход в Европе и США?
Если взять европейский континент или США, то там пока депопуляции не наблюдается по одной простой причине. Хотя там скорость размножения людей существенно ниже того, что требуется для простого воспроизведения, но благодаря очень большой продолжительности жизни там наблюдается некий стазис. А соотношение прироста и смертности населения как раз зависит от соотношения продолжительности жизни и скорости размножения. И сейчас главную роль играет продолжительность жизни. Рано или поздно средняя продолжительность жизни дойдет до своего предела, и тогда начнется депопуляция везде. Это проблемы демографического плана, и они вытекают из закона роста человечества.
Почему на особенности демографических переходов человечества биологи стали обращать внимание совсем недавно?
Потому что биологи до самого последнего времени не считали, что гиперболический закон роста имеет отношение к росту живых систем. Еще Дарвин постулировал, что рост численности живых организмов идет по закону Мальтуса, то есть по экспоненциальному закону, причем в условиях нарастающего дефицита ресурсов. Поэтому ограничение численности здесь может реализовываться только за счет конкуренции за ресурсы, что приводит к «борьбе за существование и выживании в ней наиболее приспособленных», к «естественному отбору», служащему, согласно доминирующим представлениям, механизмом эволюции.
До самого последнего времени считалось, что рост численности человечества также подчиняется экспоненциальному закону, поэтому для его ограничения в условиях дефицита ресурсов предлагались различные программы торможения этого роста. Интересно, что гиперболический закон роста человечества, открытый в Ферстером в 1960 году, не был замечен разработчиками таких программ, объединившимися в 1960-е годы в рамках знаменитого «Римского клуба». Ну а если нет гиперболического роста, то о каком естественном демографическом переходе, определяемом внутренними законами роста целостных систем может идти речь?
Что касается роста индивидуального живого организма, например, на эмбриональной и постэмбриональной стадиях, то здесь в качестве основного закона роста рассматривается открытый в 1930-е годы аллометрический (степенной) закон, обеспечивающий гармоничный рост целого организма и его частей. Согласно этому закону каждый отдельный орган растет так и до тех пор, пока растут другие органы, о которых он «знает» и пока растет весь организм, который «знает» о росте своих частей. Более того, связь между массой тела и биоэнергетической активностью организма также определяется аллометрическими соотношениями. Очень вероятно, что эволюционный прогресс, который невозможно отрицать, также осуществляется согласно аллометрическим закономерностям. Всё соответствует друг другу.
Однако аллометрические законы, определяющие гармоничный рост и развитие живых систем вступают в силу не с момента «зарождения» живого организма. Это хорошо видно, например, при рассмотрении эмбрионального развития, которое начинается с оплодотворения яйцеклетки. Оплодотворенная яйцеклетка сначала не растет, она дробится. Происходит дробление на 2, 4, 8, 16 и так далее клеток, а увеличения массы при этом не происходит, или, по крайней мере, утверждается, что не происходит. Таким образом, приросту массы, который наблюдается у эмбрионов разных животных, предшествует некая лаг-фаза, когда роста зачатка не происходит. Но с какого момента тогда начинается рост массы эмбриона? Эмбриологи обычно начинают измерять массу, например, эмбриона человека где-то с полутора двух грамм. Те, кто пошустрее, начинают мерить с грамм. Но какая масса была у яйцеклетки? А она была 0,005 миллиграмма, то есть 5 микрограмм. Таким образом, степенной рост у эмбриона человека по одним данным можно начать измерять только через 40 дней после оплодотворения, а по другим — через 60 дней, то есть когда эта масса становится двухграммовой.
Что же происходит за эти 30-60 дней, когда эта масса с 2-5 микрограмм увеличивается до двух миллионов микрограмм? Причем, в начале роста вообще нет, затем наблюдается бурное увеличение массы, что характерно именно для гиперболического роста, после чего закон роста становится аллометрическим, то есть намного более гармоничным для роста целостной системы, которой является живой организм, чем гиперболический рост.
Если человечество – это целостная, развивающаяся живая система, а многие ученые склоняются к такой точке зрения, то по аналогии с ростом и развитием других живых систем, настоящая стадия роста и развития человечества – это стадия перехода от менее гармоничного гиперболического процесса роста, к развитию по аллометрическому закону.
Каков Ваш прогноз о развитии человечества?
Я полагаю, что мы сейчас находимся на стадии, когда человечество закончило расти гиперболически, накопило совершенно гигантский потенциал и должно перейти на развитие по другому закону. То есть рост человечества не остановится, он просто пойдет по другому закону — по гармоническому закону.
И тот, и другой рост невозможны без взаимодействия, без взаимосвязей, без взаимопомощи, без кооперативности. Если говорить физическим языком, то все живые системы не просто кооперативны, они когерентны. И степень их когерентности, то есть взаимной согласованности всех процессов, которые в них протекают, увеличивается в ходе их роста и развития. Поэтому я очень оптимистично настроен по отношению к тому этапу, на котором мы сейчас находимся. Но, по большому счету, ничего нельзя предугадать. Основной тренд таков: должен быть переход в совершенно другой гармонический мир.
Интервью: Иван Степанян
