CC BY
4DOI: 10.31249/metodquarterly/02.04.09
Шаров А.А.1
Как интегрировать биосемиотику с биологией и физикой?
Аннотация. Традиционная биология и физика игнорируют наличие смысла и целепо-лагания в живых и искусственных системах, и эта онтологическая брешь может быть закрыта биосемиотикой - дисциплиной, интегрирующей биологию и семиотику и фокусирующейся на понятиях знака, интерпретации и семиотического агента. Агенты способны действовать целенаправленно и использовать знаки для информированного выбора действия. Помимо организмов, агентами являются автономные части организма, суперорганизмы и искусственные устройства. Развивая идеи Патти, я предполагаю, что агенты возникли из физического мира в форме протобиологических систем, представляющих элементы памяти (переключатели), регулируемые богатым функциональным контекстом отношений с окружающей средой. Возможно, это были воспроизводящиеся молекулы, похожие на коэнзимы и способные заселять микрокапли углеводородов в воде и окислять их поверхность. Первые реакции метаболизма формировали среду обитания, способствующую воспроизведению молекул коэнзимов. Эта модель похожа на «липидный мир», но не зависит от существования первичного бульона. Редукция семиотических агентов к физике, предложенная в статье Шермана, представляется нецелесообразной, поскольку возникновение конечной причинности - это длительный и многоступенчатый процесс, включающий естественный отбор. Физические модели применимы только к отдельным стадиям и компонентам этого процесса и, следовательно, не могут объяснить становление конечной причинности.
Ключевые слова: знаковый процесс; интерпретация; агентность; контекст; биосемиотика; происхождение жизни.
Для цитирования: Шаров А.А. Как интегрировать биосемиотику с биологией и физикой? // МЕТОД : московский ежеквартальник трудов из обществоведческих дисциплин: ежеквартал. науч. изд. / под ред. М.В. Ильина ; ИНИОН РАН, центр перспект. методологий соц.-гуманит. исследований. - М., 2022. - Вып. 12. - Т. 2, № 4. - С. 153-160. -DOI: 10.31249/metodquarterly/02.04.09
Биосемиотика родилась как результат поиска смысла и целесообразности в живых системах. Ее основоположником можно считать Якоба фон Икскюля [von Uexküll, 1957; von Uexküll, 1982], который утверждал, что
1 Шаров Алексей Александрович, доктор биологических наук, консультант Elixirgen Sciuentific, Baltimore, USA, e-mail: sharov@comcast.net © Шаров А.А., 2023.
153
смысл существует не только в сознании человека, но и в живых организмах, включая те, которые не имеют нервной системы. В 1960-х годах Патти [Pattee, 1967; Pattee, 1969] независимо переоткрыл существование смысла в живых организмах. В то же время идеи Икскюля стали известны в англоязычных странах, в основном благодаря научным работам Себеока [Sebeok, 1972; Sebeok, 1976].
Встает вопрос: какое именно свойство организмов делает их носителями смысла? Шаров и Тённесен считают, что этим свойством является семиотическая агентность, определяемая как «способность действовать целенаправленно и использовать знаки для информированного выбора действия» [Sharov, Tonnessen, 2021, p. 153]. Агентом обычно считается человек в силу наличия свободы воли, но в биосемиотике семиотический агент - это обобщение понятия организма:
«Агент - это более общее понятие, чем организм, и включает части организма с автономными функциями, такие как органы, клетки, внутриклеточные органеллы и функциональные молекулярные комплексы, а также - суперорганизменных агентов, таких как колонии, популяции или симбиотические консорции... Агентами также являются искусственные автономные устройства (роботы, компьютеры), паразитические вирусы и компьютерные вирусы» [Sharov, Tonnessen, 2021, p. 205].
Хотя не все семиотические агенты живые, все они зависят по происхождению и / или по функции от живых организмов. Поэтому предлагаемый подход не противоречит основному тезису биосемиотики о том, что границы се-миозиса совпадают с границами жизни [A semiotic..., 1984; Theses on..., 2009].
Критический для биосемиотики вопрос: как отличить не-знаковые физические и химические процессы от знаковых процессов (т.е., семиозиса)? Ховард Патти [Pattee, 1967] ответил на этот вопрос, используя понятие него-лономных условий. По его мнению, живая система функционирует в силу того, что она создает неголономные граничные условия (т.е. структуры со степенями свободы, превышающими размерность траектории системы), в которых только и возможно ее существование. Необходимость такой самоподдерживающей обратной связи через структуры с высокой размерностью вряд ли вызывает сомнения; но является ли это условие достаточным?
Патти [Pattee, 1967] указал, что неголономные условия необходимы для энзиматического катализа, осуществляющего операцию включения-выключения, т.е. наиболее простого измерения (классификации). В силу этого выключатель не моделируется детерминистически и требует вероятностного описания. Физическими примерами являются диссипативные структуры (пламя, ураганы и химические смеси с диффузией и катализом). Но изолированный выключатель нельзя считать живой системой, и потому наличие неголономных условий не является достаточным условием жизни и семи-озиса. Размножение тоже не является достаточным условием жизни; например, растущие и ломающиеся кристаллы или делящееся пламя неспособны к адаптивной эволюции. Поэтому Патти выдвигает более сильное требова-
154
ние: «Молекула становится знаком [message] только в контексте расширенной системы физических условий, которые я назвал "языком"» [Pattee, 1969, p. 8]. В качестве примера Патти предлагает гипотезу о том, что жизнь могла возникнуть в экосистемах, в которых компоненты-переключатели спонтанно преобразуются в клеткообразные структуры без изначально заданных генетических инстукций или метаболического контроля.
Удивительно, как мало новых открытий в теории происхождения жизни появилось в течение полувека со времени написания статьи Патти. Можно назвать теорию аутопоэзиса [Maturana, Varela, 1980], основанную на понятии функциональной замкнутости, что близко по смыслу к неголо-номности. Теория РНК-мира [Gilbert, 1986] соответствует возможной промежуточной стадии эволюции живых сисем [Bernhardt, 2012], но в отношении возникновения жизни она была шагом назад в направлении геноцентрической парадигмы, которая полностью игнорирует контекст-ность и смысл - краеугольные камни теории Патти.
Важным открытием была разработка моделей «липидного мира» (ЛМ), которые показали возможность компонентной наследственности, основанной на простых неполимерных молекулах в контексте самоорганизации липидо-образных смесей в воде [The lipid world, 2001]. Первоначальные модели ЛМ были основаны на селективной адсорбции без каталитического изменения ковалентных связей, но оказалось, что эволюция в этих моделях сильно ограничена [Lack of..., 2010]. Однако вскоре появилась модифицированная модель ЛМ [Polymer GARD..., 2005] (которая не была тестирована в статье [Lack of..., 2010]) с возможностью катализа ко-валентных связей, в которой этого недостатка нет.
Расширились представления о возможных источниках органических веществ, которые могли бы использоваться протобиологическими системами. Оказалось, что полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) - одни из самых обильно встречающихся газообразных органических соединений в космосе, особенно вблизи звезд, богатых углеродом [Ehrenfreund, Cami, 2010; Experimentally tracing..., 2006]. Пути доставки ПАУ на планеты включают метеориты [The first cell membranes, 2002] и космическую пыль; а благодаря гидрофобности ПАУ могут накапливаться в липидных каплях в воде. Эти молекулы могут функционировать в про-тобиологических системах (например, в ЛМ) для захвата и преобразования энергии фотонов [Deamer, 1992], а также для защиты от ультрафиоле-того излучения [The first cell membranes, 2002, p. 374].
Любопытна модель происхождения жизни в форме автогена - вирусоподобной системы, способной к самосборке защитной капсулы [Deacon, 2021]. Эта модель отвечает требованиям контекстности и самоорганизации, однако ее спонтанная реализация в известных физико-химических условиях проблематична. Для размножения и метаболизма автогена требуется первичный бульон, включающий смесь разнообразных органических соединений (в том числе набор аминокислот, сахаров и липидов) в
155
физиологических концентрациях, готовую к использованию в качестве ресурса. Но измеренные концентрации органических веществ в неживой природе на много порядков ниже физиологических [Sharov, 2016]. Кроме того, даже если бы первичный бульон был подготовлен неизвестными нам силами, он немедленно бы деградировал за счет перемешивания, гидролиза, фотолиза, окисления и других процессов, прежде чем какие-либо системы, похожие на жизнь, могли в нем появиться путем эволюции.
Существующие данные указывают, что из всех органических веществ только углеводороды (линейные, разветвленные и ароматические, включая ПАУ) были доступными ресурсами в период зарождения жизни [Sharov, 2016], тогда как все остальные органические ресурсы (например, аминокислоты и нуклеиновые основания) должны были быть синтезированы внутри протобиологических систем. Согласно предложенной ранее модели, первичной формой наследственности было сочетание самовоспроизводящихся неполимерных каталитических агентов, например похожих на коэнзимы [Sharov, 2016]. Такая форма наследственности вполне достаточна для появления упрощенных форм естественного отбора. Похожая идея была выдвинута Дайсоном [Dyson, 1999], утверждавшим, что молекулы АТФ (аденозинтрифосфат), функционирующие как энергоносители, были предшественниками нуклеиновых кислот.
Описываемая модель происхождения жизни перекликается с гипотезой Патти о необходимости элементов «памяти»1 (т.е., переключателей), регулируемых богатым контекстом. Предполагается, что самовоспроизводящиеся каталитические агенты (СКА) модифицируют локальную среду обитания. Они, например, окисляют поверхностный слой молекул углеводородных микрокапель в воде и уменьшают силу поверхностного натяжения. Тем самым они создают контекст, благоприятный для процесса самовоспроизведения за счет самых разнообразных механизмов. Такими механизмами могут быть прикрепление СКА к поверхности микрокапель частично окисленных углеводородов, использование редких органических молекул, прилипших из водной среды, расщепление жирных кислот у поверхности и увеличение вероятности деления капель как примитивный способ размножения. Таким образом создается богатый контекст в динамике клеткообразных структур, как Патти писал в 1969 г. Также очевидно, что такой сценарий - это модификация модели ЛМ.
Предлагаемая гипотеза возникновения жизни и агентности не согласуется с попыткой Джереми Шермана [2022] объяснить целесообразность физикой. Шерман предлагает «более строгую альтернативную методологию... основанную на гипотетическом объяснении того, как семиозис -определяемый здесь как функциональный интерпретирующий ответ - мог бы возникнуть из ничего помимо физической действительности». Он описывает биологическую семантику термином «абстрактная параллельная
156
1 Имеются в виду системы с несколькими возможными устойчивыми состояниями.
инженерия» (АПИ), который означает методологию описания зависимостей, механизм которых остается гипотетическим (черный ящик со стрелками) и не дающим убедительного объяснения происхождения жизни. Взамен АПИ Шерман предлагает ограничить биологию экспериментальной биофизикой, где каждый процесс и компонент может быть измерен и манипулировав Такой подход привлекателен, поскольку он исключает всякую неопределенность (за исключением квантовой). Очевидно, что такая стратегия ограничивает исследование пространством «под фонарем, где светло». Тогда сложные вопросы биологии, такие как происхождение жизни, эволюция и сознание, автоматически исключаются как недостаточно редуцированные к физике. В биологии мы часто ищем ответ на вопрос: «зачем?», в то время как физика позволяет ответить только на вопрос: «как?».
Однако после декларации строго физического подхода Шерман описывает знаковый процесс в духе АПИ, указывая, что все живые организмы должны преодолеть деградацию их устройства и функций за счет борьбы за существование. В данном рассуждении физическая строгость явно отсутствует, так как нет детальной модели организма, его фукций, ресурсов и окружающей среды. Шерман неоднократно указывает на роль физической работы как компонента борьбы за существование. Но физическая работа не является целью живого организма, и следовательно - биологическая интерпретация не объясняется чистой физикой. Эволюция живых организмов чаще направлена на экономию энергии и уменьшение физической работы за счет улучшения органов чувств и выбора более эффективных алгоритмов поведения. Следовательно, физическая работа - это только средство (или цена) достижения цели, а не сама цель. Большинство механизмов в живых организмах замещаются в процессе эволюции, развития или обучения. И именно поэтому механический и физический подходы к живому недостаточны и должны быть дополнены семиотическим подходом [Sharov, Tonnessen, 2021, p. 14-15]. Однако Шерман [2022] категорически отказывается от использования комплементарных эвристик и классифицирует подход, основанный на комплементарных эвристиках, как АПИ. Ошибочность такого мировоззрения, типичного для многих физиков, считающих, что законы природы уникальны и всецело объективны, подробно разобрана Бейтсоном [2009] в книге «Разум и природа...», где он показывает, что карта - это не территория, что всецело объективного опыта не существует, что логика плохо моделирует причинные связи и что «два описания лучше, чем одно». Отсылаю читателя к этой книге.
В качестве примера рассмотрим мою фразу, относящуюся к происхождению жизни и процитированную Шерманом: «Объяснение конечной причинности на основе физики (эффективной и формальной причинности)... такой тип объяснения просто невозможен и не нужен». В поддержку моего мнения приведу следующие обстоятельства. Во-первых, существуют сотни моделей происхождения жизни, подавляющее большинство из которых не реалистичны в силу нефизических причин. Во-вторых, любая
157
модель происхождения жизни описывает лишь одну стадию (или компонент этой стадии) длительного многоступенчатого процесса. Как мы можем утверждать, что конечная причинность возникла именно на этой ступени, а не на какой-то предыдущей или последующей? В-третьих, есть основания предполагать, что конечная причинность возникала постепенно, в течение миллионов, а возможно, и миллиардов лет [Sharov, Tonnessen 2021, p. 142]. В этом случае модель одной стадии (или компонента) не позволяет объяснить, как конечная причинность сводится к физике, а моделирование всех стадий и компонентов приводит к комбинаторному взрыву, поскольку эволюция имеет много возможных исходов на каждой стадии и эти пути комбинируются. В-четвертых, каждая модель должна включать элементы окружающей среды, но мы не знаем, какие элементы описывать и в какой степени подробности. А попытка исчерпывающего описания среды приведет к громоздким моделям, которые больше соответствуют интуиции автора, чем природе.
Альтернативный семиотический подход к объяснению происхождения жизни оказывается более перспективным, несмотря на то что Шерман относит его к категории АПИ. Этот подход предполагает, что конечная причинность возникала постепенно и усиливалась на каждой ступени за счет естественного отбора семиотических агентов, преследующих большое количество взаимосвязанных задач (захват разных ресурсов, разные виды катализа, транспорт молекул, узнавание одних типов молекул другими типами молекул, устойчивость регуляторной сети, возобновление компонентов, размножение и др.). В ходе этй эволюции менялись механизмы как наследственности, так и естественного отбора. Примеры такой эволюции описаны в книге: [Sharov, Tonnessen, 2021].
Список литературы
Бейтсон Г. Разум и природа: неизбежное единство : пер. с англ. - Москва : Книжный дом
«Либроком», 2009. - 248 с. Шерман Дж. Важнейший потенциальный вклад биосемиотики в биологию // Наст. изд. A semiotic perspective on the sciences: Steps toward a new paradigm / Anderson M., Deely J., Krampen M.,
Ransdell J., Sebeok T.A., von Uexküll T. // Semiotica. - 1984. - Vol. 52, N 1/2, - P. 7-47. Bernhardt H.S. The RNA world hypothesis: The worst theory of the early evolution of life (except
for all the others) // Biology Direct. - 2012. - Vol. 7, N 23. - P. 1-10. Deacon T.W. How molecules became signs // Biosemiotics. - 2021. - Vol. 14, N 3. - P. 537-559. Deamer D.W. Polycyclic aromatic hydrocarbons: primitive pigment systems in the prebiotic environment // Advances in Space Research. - 1992. - Vol. 12, N 4. - P. 183-189. Dyson F.J. Origins of life. - Cambridge : Cambridge University Press, 1999. - 112 p. Ehrenfreund P., Cami J. Cosmic carbon chemistry: from the interstellar medium to the early Earth //
Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. - 2010. - Vol. 2, N 12. - P. a002097. Experimentally tracing the key steps in the origin of life: The aromatic world / Ehrenfreund P.,
Rasmussen S., Cleaves J., Chen, L. // Astrobiology. - 2006. - Vol. 6, N 3. - P. 490-520. Gilbert W. Origin of life: The RNA world // Nature. - 1986. - Vol. 319, N 6055. - P. 618.
158
Maturana H., Varela F. Autopoiesis and cognition: The realization of the living. - Dordecht :
D. Reidel Publishing Co. - 1980. - 171 p. Pattee H.H. Quautum mechanics, heredity and the origin of life // Journal of Theoretical
Biology. - 1967. - Vol. 17. - P. 410-420. Pattee H.H. How does a molecule become a message? // Developmental Biology Supplement. -
1969. - Vol. 3. - P. 1-16. Polymer GARD: computer simulation of covalent bond formation in reproducing molecular assemblies / Shenhav B., Bar-Even A., Kafri R., Lancet, D. // Origins of Life and Evolution of Biospheres. - 2005. - Vol. 35, N 2. - P. 111-133. Sebeok T.A. Perspectives in zoosemiotics. - The Hague : Mouton, 1972. - 188 p. Sebeok T.A. Contributions to the doctrine of signs. - Bloomington, IN : Indiana University Press, 1976. - 271 p.
The first cell membranes / Deamer D., Dworkin J.P., Sandford S.A., Bernstein M.P., Allaman-
dola, L.J. // Astrobiology. - 2002. - Vol. 2, N 4. - P. 371-381. The lipid world / Segre D., Ben-Eli D., Deamer D.W., Lancet, D. // Origins of Life and Evolution
of Biospheres. - 2001. - Vol. 31, N 1/2. - P. 119-145. Theses on biosemiotics: Prolegomena to a theoretical biology / Kull K., Deacon T., Emmeche C.,
Hoffmeyer J., Stjernfelt F. // Biological Theory. - 2009. - Vol. 4, N 2. - P. 167-173. Sharov A.A. Coenzyme world model of the origin of life // Biosystems. - 2016. - Vol. 144. - P. 8-17. Sharov A.A., Tennessen M. Semiotic agency. Science beyond mechanism. - Dordrecht :
Springer. - 2021. - XXIII, 372 S. Vasas V., Szathmary E., Santos M. Lack of evolvability in self-sustaining autocatalytic networks constraints metabolism-first scenarios for the origin of life // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. -2010. - Vol. 107, N 4. - P. 1470-1475. von Uexkull J. A stroll through the worlds of animals and men: A picture book of invisible worlds // Instinctive behaviour: The development of a modern concept / C.H. Schiller (ed.). - New York : International Universities Press, 1957. -P. 5-80. von Uexkull J. The theory of meaning // Semiotica. - 1982. - Vol. 42, N 1. - P. 25-82.
Alexei Sharov1 How to Integrate Biosemiotics with Biology and Physics?
Abstract. Traditional biology and physics ignore meaning and goal-directedness in living and artificial systems, and this ontological gap can be filled by biosemiotics - a discipline that integrates biology and semiotics and gets focused on the notions of sign, interpretation, and semiotic agency. Agents can act in a goal-directed way and use signs for informed choice of action. Besides organisms, agents include autonomous parts of organisms, super-organisms, and artificial devices. Expanding ideas of Pattee, I suggest that agents emerged from physical world in the form of first living systems represented by elements of memory (switches) regulated by a rich functional context of relations with the environment. They could have been self-producing molecules similar to coenzymes that were capable of colonizing micro-droplets of hydrocarbons in water and oxidizing their surface. First metabolic reactions formed a habitat that facilitated self-production of coenzyme molecules. This model is similar to the lipid world but it does not depend on the presence of the primordial soup. I do not support the idea of reducing semiotic agents to physics, which is proposed in the article by Sherman, because the emergence of final causation is a long and multi-step process that includes natural selection. Physical models can be applied only to individual stages (or components) in this process, and therefore, cannot explain the origin of final causation.
1 Alexei Sharov, Elixirgen Scientific (Baltimore, U.S.A.), e-mail: sharov@comcast.net
159
Keywords: sign process; interpretation; agency; context; biosemiotics; origin of life. For citation: Sharov, A.A. (2022). How to Integrate Biosemiotics with Biology and Physics? METHOD: Moscow Quarterly Journal of Social Studies, 2 (4), 153-160. DOI: 10.31249/metodquarterly/02.04.09.
References
Anderson, M., Deely, J., Krampen, M., Ransdell, J., Sebeok, T.A. and von Uexküll, T. (1984). A semiotic perspective on the sciences: Steps toward a new paradigm. Semiotica 52 (1/2), 7-47.
Bateson, G. (2009). Mind and nature: A necessary unity. Translated from English. Moscow: Book house "LIBROKOM". (In Russ.)
Bernhardt, H.S. (2012). The RNA world hypothesis: The worst theory of the early evolution of life (except for all the others). Biol Direct 7, 23.
Deacon, T.W. (2021). How molecules became signs. Biosemiotics 14 (3), 537-559.
Deamer, D.W. (1992). Poly cyclic aromatic hydrocarbons: primitive pigment systems in the prebiotic environment. Advances in Space Research 12 (4), 183-189.
Deamer, D., Dworkin, J.P., Sandford, S.A., Bernstein, M.P. and Allamandola, L.J. (2002). The first cell membranes. Astrobiology 2 (4), 371-381.
Dyson, F.J. (1999). Origins of life. Cambridge University Press, Cambridge.
Ehrenfreund, P. and Cami, J. (2010). Cosmic carbon chemistry: from the interstellar medium to the early Earth. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 2 (12), a002097.
Ehrenfreund, P., Rasmussen, S., Cleaves, J. and Chen, L. (2006). Experimentally tracing the key steps in the origin of life: The aromatic world. Astrobiology 6 (3), 490-520.
Gilbert, W. (1986). Origin of life: The RNA world. Nature 319 (6055), 618.
Kull, K., Deacon, T., Emmeche, C., Hoffmeyer, J. and Stjernfelt, F. (2009). Theses on biosemiotics: Prolegomena to a theoretical biology. Biological Theory 4 (2), 167-173.
Maturana, H. and Varela, F. (1980). Autopoiesis and cognition: The realization of the living. D. Reidel Publishing Co., Dordecht.
Pattee, H.H. (1967). Quautum mechanics, heredity and the origin of life. Journal of Theoretical Biology 17, 410-420.
Pattee, H.H. (1969). How does a molecule become a message? Developmental Biology Supplement 3, 1-16.
Sebeok, T.A. (1972). Perspectives in zoosemiotics. Mouton, The Hague.
Sebeok, T.A. (1976). Contributions to the doctrine of signs. Indiana University Press, Bloomington, IN.
Segre, D., Ben-Eli, D., Deamer, D.W. and Lancet, D. (2001). The lipid world. Orig. Life Evol. Biosph. 31 (1-2), 119-145.
Sharov, A.A. (2016). Coenzyme world model of the origin of life. Biosystems 144, 8-17.
Sharov, A.A. and Tennessen, M. (2021). Semiotic agency. Science beyond mechanism. Springer, Dordrecht.
Shenhav, B., Bar-Even, A., Kafri, R. and Lancet, D. (2005). Polymer GARD: computer simulation of covalent bond formation in reproducing molecular assemblies. Orig. Life Evol. Biosph. 35 (2), 111-133.
Sherman, J. (2022). Biosemiotics' greatest potential contribution to biology // Nat. ed. (In Russ.)
Vasas, V., Szathmary, E. and Santos, M. (2010). Lack of evolvability in self-sustaining autocata-lytic networks constraints metabolism-first scenarios for the origin of life. Proc Natl Acad Sci USA 107 (4), 1470-1475.
von Uexküll, J. (1957). A stroll through the worlds of animals and men: A picture book of invisible worlds. In: Instinctive behaviour: The development of a modern concept (pp. 5-80). C.H. Schiller, (ed.) International Universities Press, Inc., New York.
von Uexküll, J. (1982). The theory of meaning. Semiotica 42 (1), 25-82.
160
