Wednesday, 6 April 2016

Чем отличается генетическая память живых организмов от памяти материалов



Рис.1. Никелид титана — сплав, использующийся в системах с памятью формы. Картинка из википедии.


























В курсах сопромата, механики композиционных материалов, теорий пластичности и упругости обычно рассказывают о саморазвертывающихся конструкциях, работающих за счет термоупругости материалов. По отношению к материалам иногда говорят, что они имеют память формы. Суть явления заключается в том, что при нагреве деформированной конструкции возникают компенсационные внутренние напряжения, стремящиеся минимизировать деформации. Этот эффект изучается дисциплиной с красивым названием «наследственная механика».

Но есть ли более глубокое, чем лишь слабая аналогия, родство между наследственностью материала и биологической наследственностью? По-видимому, нет. Вот почему я так думаю.

Память формы материала — результат исключительно движения частиц вещества, которое является проявлением принципа минимума потенциальной энергии. Этот принцип гласит, что физическое тело или конструкция при достаточно низких температурах деформируется так, что суммарная потенциальная энергия достигает минимальных значений, при этом часть потенциальной энергии превращается в кинетическую энергию молекул вещества (тепло). Этот принцип механики, выражающийся в стремлении к устойчивому равновесию, действует в неживой природе и объединяет между собой множество явлений.

Примеры можно перечислять бесконечно:
  • механические, электромагнитные, химические и иные колебательные процессы; 
  • эллиптическая форма планетарных орбит;
  • эллипсоидная форма небесных тел;
  • шарообразная форма мыльных пузырей;
  • кристаллизация;
  • образование конвекционных и интерференционных картин, таких как песчаные дюны, рябь на поверхности воды, эффект Муара и пр.
Существуют специальные сплавы, например, сплав никеля и титана, в которых память формы достигается за счет способности деформироваться при одной температуре и восстанавливать изначальную форму по достижении температуры определенного значения, так называемой температуры трансформации. Это свойство называется термоупругостью. Сходное с термоупругостью другое свойство таких материалов, называемое сверхупругостью, состоит в чрезвычайно широком по сравнению с обычными материалами диапазоне упругости (от 10 до 30 раз шире, чем у обычных металлов) в узкой температурной зоне чуть выше температуры трансформации. В некоторых полимерных материалах память формы обеспечивается повышенной пластичностью.

Бесконечно малый элемент термоупругого материала, имеющего память формы, всего-навсего находится под действием внутренних напряжений и, следовательно, также подчиняется принципу минимума потенциальной энергии.

Иногда поведение системы зависит не только от его текущего состояния (температуры, процентного состава композита и т.д.), но также и от предыдущего состояния. Примеры таких процессов включают:

  • автоколебания, в том числе, знаменитые химические часы (автокаталитическая реакция Белоусова-Жаботинского);
  • гистерезис;
  • флуктуации далеко от термодинамического равновесия;
  • хаос.

Поведение подобных сильно нелинейных систем также представляет собой исключительно результат движения частиц вещества под действием межмолекулярных сил, несмотря на гораздо большую сложность научного описания этого движения по сравнению с системами, приведенными в пример ранее.

В живых организмах, напротив, передача свойств от предка к потомку организована на основе интерпретации материального знака (кодон мРНК) согласно протоколу трансляции (транспортная РНК, нагруженная «нужной» аминокислотой, причем соответствие аминокислоты кодону устанавливается в системе по набору формальных, нефизических правил, который называется генетическим кодом). Семиотическая природа формального соответствия между кодонами РНК и синтезируемыми белками является произвольной с точки зрения принципа минимума потенциальной энергии, а поэтому несводимой к движению частиц вещества в поле сил межмолекулярных взаимодействий.

Рис.2. Трансляция генетической информации. Мессенджер-РНК (м-РНК) схематично показана горизонтальной линией. Стартовый и стоповый кодоны указаны буквами (AUG и UAG, соответственно). Адаптерная связь между тРНК и кодоном мРНК показана вынесенным кружком с увеличением (позиция 3).
Картинка из википедии.


Таким образом, глубокого родства между памятью формы у материалов и биологической наследственностью не существует. Память в системе размножения организмов в корне отличается от памяти формы материала тем, что она символьная.

Семиотичность системы трансляции информации, записанной на биополимерах, имеет феноменологическое сходство не с памятью материалов, а с лингвистическими машинами, то есть с устройствами обработки информации, представленной в виде строк символов определенного алфавита. К лингвистическим машинам относятся естественные средства коммуникации между животными, естественные и компьютерные языки, а также математический аппарат.

Биологические системы в основе своей лингвистичны.

No comments:

Post a Comment