Какими мы будем

- Когда восемь лет назад я первый раз встретился с Виталием Иосифовичем Гольданским и с вами, Владик Аванесович, помнится, я начал разговор с того, что спросил академика Гольданского: какая разница между физической химией и химической физикой? Виталий Иосифович со свойственным ему юмором на этот вопрос ответил, что разница такая же, как между медалью "За трудовую доблесть" и медалью "За доблестный труд"┘ Вам через восемь лет, когда с нами, увы, уже нет Виталия Иосифовича, мне хочется задать такой вопрос: вы кто - биофизик, физикохимик, биоматематик? Потому что человек, который набирает в лабораторию Института химической физики кандидатов наук из Математического института имени В.А. Стеклова, - это нетривиально и интригует┘

- Особенного тут ничего нет, потому что проблема глубокая и для ее исследования нужны очень подготовленные ученые. Помимо всего прочего идея уже была, и "под нее" нужны были специалисты в совершенно новой области математики, р-адическом (читается, как русское "п". - А.В.) анализе. Научная школа академика Василия Сергеевича Владимирова в знаменитой "Стекловке" - это, пожалуй, уникальная среда, где формируются такие специалисты. Дело оставалось за малым - увлечь идеями и создать условия для работы. Так что наша лаборатория является, если угодно, прямым потомком двух широко известных в мире российских научных школ - академика Гольданского и академика Владимирова.

Но ваш вопрос все-таки, наверное, не кто мы, а где мы, в чем наши главные цели и интересы. Проще всего процитировать одного из основоположников квантовой механики - Эрвина Шредингера. Шел 1943 год, структура ДНК еще не раскрыта, тем не менее крупнейшие ученые размышляют над тем, что такое ген, где расположена генетическая информация и достаточно ли уже открытых физических законов, чтобы познать природу живого. "Из общей картины наследственного вещества, нарисованной Дельбрюком, следует, что деятельность живой материи хотя и основана на законах физики, установленных к настоящему времени, но, по-видимому, подчиняется до сих пор неизвестным другим законам физики, которые, однако, как только они будут открыты, должны будут составить такую же неотъемлемую часть этой науки, как и первые" ("Что такое жизнь". - Ижевск, 1999).

- А все-таки: какой сложности должна быть задача, чтобы для ее решения понадобилось искать фундаментально новые законы - даже по сравнению с квантовой механикой?

- Это едва ли не основная тема наших долгих бесед с Виталием Иосифовичем. Все началось с наивного на первый взгляд вопроса. А что такого особенного в биомолекулярных структурах, например в ДНК, РНК и белках? С одной стороны - это просто полимеры, то есть длинные молекулярные цепочки, собранные из различных звеньев, и с физической точки зрения ничего особенно "страшного" в них нет. Но с другой стороны - это очень специальные структуры. Если говорить, например, о последовательности звеньев в биополимерной цепи, скажем ДНК или РНК, то очень важно, какая именно это последовательность. Если говорить о пространственной структуре, в которую укладывается биополимерная цепочка, например белок, то очень важно, в какую именно структуру она укладывается. В биомолекулярных структурах каждый элемент размером с атом или несколько атомов обязан находиться строго "на своем месте". От этого зависит работа всей "биохимической машины" - живой клетки.

- Как в идеальном кристалле, где каждый атом находится строго на определенном месте?

- И да и нет. Все дело в том, что в биологических структурах нет той симметрии, какая есть в кристаллических структурах. Именно симметрия делает кристалл упорядоченным и простым, и именно отсутствие симметрии делает биомолекулярные системы "неупорядоченными" и сложными. Вот, например: сколько вариантов структуры кристаллического типа, с заданным типом симметрии, можно построить из 200 элементов? Ответ простой - один или несколько - в зависимости от типа симметрии, но всегда очень немного. А сколько вариантов структуры "биомолекулярного" типа можно построить из 200 (условных) шариков или кубиков? Выясняется, что число таких вариантов просто невообразимо большое - это примерно 10 в степени 100. Иллюстраций того, насколько это число большое, можно привести множество. Например, такая.

Допустим, что в гигантской системе, ну где-нибудь во Вселенной, может одновременно реализоваться 10 в степени 50 белковоподобных полимерных структур с различными, не повторяющимися укладками полимерной цепи. (Мы выбрали число, соответствующее количеству атомов (!) углерода в Солнечной системе.) Теперь пусть каждую секунду во всех этих полимерных структурах, во всей системе, одновременно происходит смена укладок без каких-либо повторений. Тогда за все время существования Вселенной - это примерно 20 миллиардов лет - наша система сможет "просмотреть" только такую часть различных вариантов укладок цепи, которая соотносится со всеми мысленно возможными вариантами, как капля воды и Мировой океан.

Это соображение, конечно, тривиальное и широко известное. Но следствия из него не тривиальные! Описывая, например, эволюцию в терминах воспроизведения и отбора различных структур биомолекулярного типа, необходимо ясно осознавать, что даже в масштабах всей Вселенной и на всем времени ее существования доля реализуемых вариантов таких структур исключительно мала в сравнении с числом мысленно возможных альтернатив.

Системы биологического типа принципиально не могут "просмотреть" все возможные варианты. В физике же хорошо знают, как работать с принципиально другими системами и процессами, когда каждая из возможных альтернатив может реализоваться очень много раз. А в биологических системах все как раз наоборот. Природа как-то так организует поиск в гигантском море альтернатив, что, с одной стороны, он существенно случаен, но с другой - сохраняет возможность контролировать результат поиска, то есть предсказуем. В этом, собственно, основная проблема.

- И все-таки, насколько я понимаю, вас интересует не какая-то молекулярная конкретика, а именно динамика физического процесса. Есть классическая - ньютоновская физика; есть статистическая физика; есть физическая "грамматика", основанная на квантово-механических представлениях. Последние способны описывать умопомрачительной сложности процессы. Выходит, даже такой развитой физико-математический язык уже не подходит для тех процессов, которыми занимаетесь вы?

- Дело не в громоздкости вычислений, дело в принципиально другой сложности. Иногда высказывается мнение, что можно исследовать любой процесс, нужно только построить достаточно мощный компьютер. На самом деле существуют принципиальные ограничения на допустимую сложность задач, поддающихся решению в рамках той логики, на которой основаны вычисления в "классических" компьютерах. Это так называемые задачи полиномиальной сложности.

Но существует множество задач, имеющих, кстати сказать, важное прикладное значение, которые относятся к задачами принципиально другой, экспоненциальной сложности. Их невозможно решить с достаточной точностью на классическом компьютере за обозримое время. Но поразительно - природа как-то умудряется решать именно такие задачи, более того, используя вполне классические, не квантовые устройства. Один из примеров как раз - укладка белковой полимерной цепочки в определенную пространственную структуру. Как это происходит - одна из наиболее интригующих проблем в физике. Эту проблему часто называют парадоксом Левинталя.

- Что это за парадокс, нельзя ли поподробнее?

- Реально белковая молекула "находит" нужный вариант укладки за несколько десятков секунд. Как же они это делают? Перебрать все варианты они не могут в принципе, их экспоненциально много. Но ведь как-то эта происходит!

Возможно, мы имеем дело с особым типом физического процесса, как вы выражаетесь, с особой "физической динамикой", принципы которой пока не вполне понятны. Любопытно, но в жизни мы постоянно сталкиваемся с задачами, похожими на "поиск иголки в стоге сена", и ведь умеем их решать! Мы применяем очень простой прием - создавая большую структуру, мы одновременно создаем иерархический алгоритм поиска элементов этой структуры. Система почтовой индексации, сети дорог и коммуникаций, библиотеки, телефонные сети, интернет наконец... Если такой алгоритм поиска имеется, то требуется небольшое число шагов, чтобы в гигантском массиве быстро найти нужное. Может быть, именно в иерархичности и заключена специфика процесса укладки белка? В конце концов иерархическая упорядоченность действительно типична для биологических систем.

- А может ли подобное происходить с физическими системами?

- Как это ни удивительно, иерархии возникают и в физических системах, не имеющих прямого отношения к биологическим - в спиновых стеклах, кластерах, наночастицах, больших молекулах - это все "неупорядоченные" сложные системы. Физика таких систем очень интересна и необычна. Но понять ее оказалось неожиданно трудным, потому что, как выяснилось, иерархию нельзя "вывести" из имеющихся фундаментальных физических теорий.

Кстати говоря, именно то, что иерархия - естественный для биологического мира способ упорядочения (филогенетическое древо видов - ярчайший пример!), - навело нас на мысль, что в сложных "неупорядоченных" системах независимо от того, физические они или биологические, возникновение иерархического порядка подчинено общим законам. Это очень важно, потому что "подсмотреть", как протекала эволюция, - нельзя, а понять общие закономерности формирования иерархических структур и их динамики, изучая физические системы, - можно. Такое обобщение типично для теоретической физики. С точки зрения физика, расплывание капли чернил в стакане воды и процесс биологической эволюции "дарвиновского типа" - за счет небольших мутаций и отбора - суть одно и тоже. В основе описания и того и другого лежит общеизвестное уравнение диффузии, которое выражает концепцию случайного броуновского движения.

- Тут, по-моему, возникает онтологический вопрос: что является пусковым механизмом такой иерархизации? Почему природа склоняется к такому поведению?

- На мой взгляд, у сложных систем просто нет другого способа оптимизировать свое состояние и поведение. Похоже, иерархия - это единственный способ "примирить" сложность и случайность.

- По-моему, это напоминает ту ситуацию, когда долго работаешь на компьютере и слишком много файлов скапливается на рабочем столе компьютера. И тут начинаешь создавать папки. Потом - папки в папках┘

- Очень хороший пример! Даже при многоуровневой иерархии вы почти не путаетесь и очень быстро находите нужные вам документы.

Вот тут мы подходим к интересной, на мой взгляд, мысли - можно ли таким же способом решать задачи экспоненциальной сложности? Распознавание образов, например, модели сознания┘

- Проблема возникновения жизни, насколько я понимаю, как раз относится к задачам экспоненциальной сложности?

- Думаю, да.

- Тогда не могли бы вы более подробно рассказать об успехах вашей группы в поисках типа физической динамики, которым вы занимаетесь?

- Нам удалось построить адекватный метод описания динамики иерархических систем. Оказалось, что динамика таких систем действительно подчиняется совершенно общим законам, не зависящим от природы самой системы. Это, конечно, серьезное достижение, потому что сконструировано уравнение, которого в физике не было и в основе которого лежат представления, совершенно необычные для физики. В итоге мы получили новый инструмент исследования. Он оказался удивительно мощным. Например, те результаты, которые раньше мы получали путем прямого моделирования случайного иерархического процесса на мощных суперкомпьютерах в Германии, "загружая" их на несколько суток, сейчас мы получаем на персональном компьютере за несколько долей секунды, и не в Германии, а в Москве.

- Значит, уравнение, созданное вами, приложимо к эволюции любых систем, устроенных иерархически?

- Возможно┘ возможно. Мы уже применили его к описанию движений белковой молекулы. Это знаменитая проблема, над которой работает немало теоретических и экспериментальных групп в мире. Динамика этой молекулы очень необычна и сложна. Ганс Фрауенфельдер - известный американский ученый, более 40 лет занимается этой проблемой, кстати, он был дружен с Виталием Иосифовичем, назвал динамику белка протеинотрясением (protein quake). Похоже на землетрясение - мощное потрясение, потом более слабое, еще более слабое┘ А потом вдруг опять сильная "встряска" и каскад более мелких - такая иерархия возмущений, следующих каскадами одно за другим. А вот объяснить экспериментальные данные в рамках таких представлений никак не получалось. Мы как раз и научились описывать подобные процессы. Полученное нами уравнение имеет широкое поле самых разных приложений. В терминах иерархической динамики можно говорить о разных процессах - от старения полимеров и композитных материалов до возникновения видов, финансовой стратегии, устойчивости власти и общества.

- Что могут дать ваши подходы, если их переложить из чисто абстрактной области физики и математики в область биологии, например, в область гипотез о моменте возникновения жизни во Вселенной? Я попытаюсь провести такую аналогию. Существует гипотеза космологического Большого Взрыва. Но астрофизики утверждают: что было в точке сингулярности, в точке начала этого Большого Взрыва, мы не можем сказать - там не работают сегодняшние наши теоретические представления. Можно ли сказать: вы тоже не беретесь судить, что послужило началом биологической эволюции?

- Как раз наоборот. Именно в этом и заключается проблема возникновения феномена жизни. Если вопрос "А что было до рождения Вселенной?" лишен физического смысла (хотя это и может показаться странным), то вопрос "А что было во Вселенной до возникновения жизни" вовсе смысла не лишен. В рамках космологической теории Большого взрыва можно описать, и это сделано, те этапы эволюции Вселенной, на которых жизнь, как молекулярный феномен, существовать не могла, скажем в адронную эру, когда Вселенная была очень горячей и очень плотной. Так что объяснять появление "биологической сингулярности" во Вселенной как-то нужно.

Я хотел бы заметить, что проблема возникновения жизни имеет место только в космологических теориях, подобных теории Большого Взрыва. Вопрос о возникновении жизни в бесконечной во времени и пространстве Вселенной лишен содержания: жизнь в такой Вселенной не возникает, она a priori есть. Находясь в такой Вселенной, можно только задаваться вопросом о происхождении жизни где-то, на какой-то планете, например. И тут, кстати сказать, идея панспермии ничем не хуже других. Но если мы принимаем концепцию Большого Взрыва, то возникает совершенно особый вопрос, какова природа "биологической сингулярности", рождения феномена жизни во Вселенной. Тут идея панспермии, очевидно, бессодержательна.

Перед нами же - другая проблема: возникновение феномена жизни как такового. Кстати, в этом смысле я должен сказать, что времени существования жизни во Вселенной - около 20 миллиардов лет - не так много. Из них молекулярному миру примерно 12 миллиардов лет. На Земле жизнь существует около четырех миллиардов лет. Значит, если мы предполагаем, что между первой биологической матрицей, залетевшей на Землю из глубокого космоса, и нынешней биосферой, включая человека, необходимо иметь около четырех миллиардов лет эволюции, тогда спрашивается: когда же возникла жизнь на той планете, откуда матрица? Таким образом, если принимать идею панспермии, то очень легко понять, что мы всего-навсего второе поколение во Вселенной. И не более того.

Меня же больше всего интригует проблема конструирования новой физики для того, чтобы приблизиться к сложности биологических систем.

Вообще мне представляется, что фундаментальная наука пока не вполне готова "превратить" вопрос о возникновении жизни в настоящую научную проблему - отсюда так много наивных картин и откровенных спекуляций. Но в этом невинном вопросе все-таки есть магическая сила. Его влияние на развитие фундаментальной науки и в частности физики неоспоримо!

- Допустим, что вы нашли эту новую физическую динамику. Можем ли мы тогда говорить, что реально сконструировать искусственную матрицу жизни, или проблема биологической сингулярности остается пока нерешенной?

- Нет, пока рано говорить, что мы действительно понимаем природу тех процессов, которые привели к "биологической сингулярности". Процесс "выращивания" иерархической структуры в изначально беспорядочной, хаотической среде - это совершенно особый процесс, тоже, возможно, фундаментальный. Описывать такие процессы мы пока не умеем, но на успех надеемся.

- Допустим, мы уже имеем уравнение физической динамики, которое вы ищете. Если попытаться приложить эту динамику к биологическим системам - жизнь может принимать только те формы, которые мы наблюдаем на Земле?

- Фенотипически, если угодно, конечно, нет. Но все виды в некотором смысле "возникли сразу". То есть то, что в ходе эволюции может возникнуть человек, было, образно говоря, "предопределено" четыре миллиарда лет назад или раньше, тогда, когда молекулярная эволюция на Земле или где-то в иных пространствах Вселенной привела к "биологической сингулярности" нашего типа.

- То есть это было известно?

- В определенном смысле - да. Это не было реализовано сразу, и надо было подождать, пока в ходе биологической эволюции реализовался вид - гомо сапиенс. Но то, что такой вид "имелся" среди всех возможных, было заложено уже в самой структуре "биологической сингулярности".

- Другими словами, если мы встретим когда-нибудь инопланетян, они будут похожи на нас┘

- Нет, не обязательно. Нет оснований считать, что существует единственная "структура сингулярности", единственная форма жизни, которая могла реализоваться во Вселенной за последние 12-15 миллиардов лет. Но если мы у инопланетянина обнаружим, скажем, те же принципы кодировки наследственной информации, но при этом он будет абсолютно не похож на нас, то тогда можно предположить, что подобная "реализация" не исключена и в ходе развития нашей, земной формы жизни.

Как распознать другую форму жизни, что это вообще может быть такое? Помните, Океан в "Солярисе" Лемма. Можно ли, встретив "такое", понять, что это - форма жизни? Это очень интересные и совсем даже не тривиальные вопросы.

Но кое-что об общих особенностях эволюции иерархических систем можно сказать уже сейчас. Например, сложные иерархические системы в принципе не могут развиваться без "потрясений". В иерархических системах нельзя пройти "большие расстояния", двигаясь "малыми шагами". Образно говоря, каков "шаг" - на столько и "уйдешь". Другое дело, что если говорить о социальных системах, то эти "потрясения" не обязательно должны быть связаны с мировыми войнами или иными катаклизмами, уносящими огромное число людских жизней. Научно-технические революции, например, в считанные годы преображают состояния огромных социумов, которые до этого существенно не менялись сотни лет.

Похоже, да?! А это все лишь следствия иерархической динамики.