В заметке обсуждается утверждение ‘живое подчиняется законам физики’ на примере промышленного роста микроорганизмов. Технологии роста биомассы неплохо работают и в ходе их использования интенсивно используются модели микроорганизмов. Вначале кратко рассмотрены обзоры: ‘Полногеномная реконструкция динамического фенотипа микроорганизмов: успехи и проблемы‘, ‘Многомасштабные модели целых клеток: достижения и проблемы‘ и ‘Методы многомасштабного моделирования в биомолекулярной физике‘. После этого идет обсуждение законов физики в применении к микроорганизмам. Оно построено путем сравнения использования физических теорий при описании горения свечи с существующими моделями микроорганизмов.
- Введение
- Модели роста микроорганизмов
- Модели живой клетки в системной биологии и молекулярном моделировании
- Картография знания
- Законы физики и горение свечи
- Отличие живой клетки от горения свечи
Введение
При рассмотрении живого и неживого существует концептуальная проблема, которая в одной из статьей физиков названа неподдающейся проблемой жизни (hard problem of life). Суть проблемы в том, что при рассмотрении разных уровней организации (живое и неживое) мы одновременно хотим сказать, что живое отличается от неживого, и что живое сводится к уровню организации неживое.
В этой заметке уровень организации живое отождествляется с биологией, а уровень организации неживое — с физикой. Химия в данном случае трактуется как систематизация и классификация химических веществ, которые, однако, описываются физическими теориями. Таким образом вопрос о неподдающейся проблеме жизни связан с взаимоотношениями между биологией и физикой, при этом предполагается, что физика включает в себя знание протекающих химических реакций.
Обычно для совмещения уровней организации физики и биологии используется утверждение ‘живое подчиняется законам физики’. Ранее в разделе ‘Физика и биология: неподдающаяся проблема жизни‘ моей книги были рассмотрены решения, предлагаемые разными учеными, и они были разделены на три направления:
- Физикализм — биология сводится к физике и точка.
- Компатибилизм — биология сводится к физике, но это не мешает считать биологию автономной наукой.
- Неовитализм в духе Фрэнсиса Крика — биология не сводится к физике.
В этой заметке предлагается взглянуть на эту проблему со стороны практического использования физических теорий для описания живой клетки при промышленном росте микроорганизмов. Отличие от рассмотрения выше заключается в обсуждении количественных моделей, связанных с экспериментальными исследованиями. На этом пути использован подход из статьи ‘Горение свечи и уровни организации‘, в которой сравнивались механика сплошных сред и статистическая механика на уровне экспериментальных исследований.
В этой заметке такой подход перенесен на рассмотрение микроорганизмов. Промышленный рост микроорганизмов является примером сложившейся технологии, в которой широко используется моделирование микроорганизмов. Рассмотрим, можно ли использовать этот пример для заключения, что микроорганизмы подчиняются законам физики. Вначале кратко рассмотрены обзоры: ‘Полногеномная реконструкция динамического фенотипа микроорганизмов: успехи и проблемы‘, ‘Многомасштабные модели целых клеток: достижения и проблемы‘ и ‘Методы многомасштабного моделирования в биомолекулярной физике‘. После этого идет обсуждение законов физики в применении к микроорганизмам.
Модели роста микроорганизмов
Обзор Н. С. Паникова ‘Полногеномная реконструкция динамического фенотипа микроорганизмов: успехи и проблемы‘ посвящен моделированию промышленного роста микроорганизмов. Приведу фотографию из Википедии (Bioreactor), чтобы дать представление об оборудовании:
Все напоминает химические технологии, но рост микроорганизмов отличается от процессов в химической технологии, поскольку микроорганизмы нельзя рассматривать как химическое вещество. В химии можно проанализировать, а затем синтезировать необходимое вещество. В биологии размножение возможно только как клетка из клетки, и таким образом протекающий процесс зависит от наличия штамма необходимых микроорганизмов и от протекания разнообразных процессов внутри микроорганизмов.
Рисунок биореактора полезно сравнить с рисунком микроорганизма из последнего обзора — он показывает, что поведение целой клетки определяется разными масштабами времен и размеров (размер клетки несколько преувеличен):
На рисунке отмечается особая роль ферментов, которые являются катализаторами протекающих химических реакций.
Тем не менее, несмотря на трудности описания живой клетки, технологии работают достаточно надежно. Процессы роста микроорганизмов воспроизводимы, и они задают уровень текущих исследований. В обзоре говорится следующее:
‘Цель данного обзора — показать, что сложная биодинамика представляет собой не запутанную совокупность хаотических событий, а хорошо воспроизводимые явления, которые можно точно регистрировать и интерпретировать с помощью механистических математических моделей.’
Таким образом это является хорошим примером для рассмотрения утверждения ‘живое подчиняется законам физики’.
При описании процессов в биореакторе требуется модель для роста популяции микроорганизмов. Паников выделяет два разных режима роста. Простой рост, экспоненциальный, соответствует постоянным внешним условиям. При этом скорость роста биомассы остается постоянной (скорость деления клетки не меняется), что в свою очередь связано с практически неизменным химическим составом клетки. Сложный рост происходит при меняющихся внешних условиях. В этом случае скорость роста и состав клетки связаны сложными соотношениями с химическим составом окружения и между собой. Основной задачей является построения моделей для сложного роста биомассы.
В настоящее время известно много информации о микроорганизмах, включая геном. В обзоре представлена иерархия моделей, которая начинается с эмпирических уравнений роста микроорганизмов. Далее рассматриваются упрощенные модели клетки, которые отражают основные химические реакции, связанные с ростом биомассы. Переход к моделям сложного роста требует усложнения моделей и включения дополнительной информации о внутриклеточных процессах. В то же время модели должны быть эффективными, чтобы их можно было использовать при моделировании протекающих технологических процессов.
Я не буду вдаваться в детали, только отмечу, что моделирование развивается с точки зрения протекающего процесса в биореакторе, поскольку это является основной целью использования моделей — стратегия моделирования сверху вниз. В то же время желание включить все большее количество информации о внутриклеточных процессах приводит к появлениям модели целой клетки, рассмотренных в следующем разделе. Этот путь можно назвать моделированием снизу вверх.
Модели живой клетки в системной биологии и молекулярном моделировании
В обзоре ‘Многомасштабные модели целых клеток: достижения и проблемы‘ рассматриваются модели целой живой клетки на основе системной биологии. В 2012 году в группе Маркуса Коверта создана первая модель целой клетки для простейшей бактерии M. genitalium. Клетка была разбита на 28 взаимодействующих модулей, каждый из которых описывался на основе системы обыкновенных дифференциальных уравнений, а также при использовании дискретных переменных. Модель содержала 1900 параметров, которые были собраны из многочисленных статей, посвященных этой бактерии.
В 2020 году создана аналогичная модель E. coli. Это гораздо более сложная бактерия и для ее описание потребовалась система с более десятью тысячами обыкновенных дифференциальных уравнений и более 19 тысячами параметров, значения которых были собраны из огромного количества статей. Сравнение работы модели с экспериментальными данными потребовали модификации отдельных параметров. В этом смысле модели такого рода служат проверкой согласованности разнородных исследований, связанных с работой частей клетки. В 2022 году появилась аналогичная модель S. cerevisiae.
Другой, более глубокий уровень моделирования представлен в 2026 году в обзоре ‘Методы многомасштабного моделирования в биомолекулярной физике‘. Он хорошо передает современный статус молекулярного моделировании живой клетки на основе иерархии аппроксимаций. Авторы статьи полны энтузиазма, но вопрос создания полноценной модели живой клетки при использовании предлагаемой иерархии физических моделей остается открытым.
Рисунок из этого обзора был помещен выше. Живая клетка в отличие от обычного химического вещества является сложным механизмом. В клетке большую роль играют ферменты, которые являются катализаторами протекающих процессов и которые описываются в квантовой механике на уровне приближения Борна-Оппенгеймера. Правда, для более точно описания протекающих реакций требуется введения поправок в это приближение. Следующий уровень рассмотрения — белок как целое — возможен при использовании эмпирического силового поля на уровне молекулярной динамики.
Живая клетка является сложной структурой и в статье обсуждаются пути перехода к ее описанию. Первая возможность — это использование крупнозернистых силовых полей, в которых агрегат из нескольких атомов превращается в один эффективный атом. Современные вычислительные возможности достигают уровня рассмотрение простейших микроорганизмов, и в настоящее время идут попытки создания модели живой клетки на основе молекулярной динамики с использованием крупнозернистых силовых полей. Тем не менее, физическое время в таких расчетах ограничено периодом порядка микросекунды и не видно путей увеличения этого интервала на этом уровне аппроксимации.
Важно отметить существование иерархии аппроксимаций уже при использовании молекулярной динамики. Все опирается на экспериментальные исследования, поскольку решение о правильности аппроксимации возможно только при анализе проводимых экспериментов. Таким образом, говорить о расчете из первых принципов не приходится. Также следует отметить разницу между физической теорией и аппроксимацией. Молекулярная динамика основана на классической статистической механики, которая является аппроксимацией квантовой статистической механики и поэтому имеет ограниченную область применимости. Нельзя воспринимать визуализацию результатов молекулярной динамики буквально, поскольку онтология взаимодействующих бильярдных шаров не отражает физическую реальность.
В статье также обсуждается методы с использованием огрубленного описания для получения более эффективных моделей. В качестве примера приводится статья, опубликованная в 2026 году, в которой за счет введения самых разных аппроксимаций удалось довести физическое время при расчете минимальной бактерии JCVI-syn3A (упрощенная M. genitalium) до 100 мин и тем самым провести расчет деления этой клетки. Вычислительное время составляло от четырех до шести дней.
Картография знания
Развитие физиологии клетки было похоже на развитие химии. Проводилась систематизация и классификация структур и протекающих процессов в живой клетке. При появлении молекулярной биологии стало возможным изучение механизмов химических реакций, а также использования количественных моделей на основе физических теорий для описания разных внутриклеточных процессов. На этом пути достигнут существенный прогресс. Тем не менее, даже в случае промышленного роста микроорганизмов описание функционирования живого микроорганизма на количественном уровне с использованием физических теорий остается открытой проблемой. Рассмотрим эту проблему более подробно при сравнении живой клетки с горением свечи.
Законы физики и горение свечи
Начну с краткого перечисления результатов предыдущего рассмотрения ‘Горение свечи и уровни организации‘, в котором обсуждались взаимоотношения между механикой сплошных сред и статистической механикой. Ниже я использую две стрелы объяснений из этого рассмотрения для описания серой границы перехода от ‘мы знаем’ к ‘мы не знаем’ в случае горения свечи.
Уравнения механики сплошных сред содержат неизвестные свойства веществ, которые можно определить при проведении соответствующих экспериментов. Таким образом, первая стрела объяснений связана с расчетом этих свойств из квантовой статистической механики, в которой есть необходимые уравнения. Для простейших систем это позволяет рассчитать необходимые свойства из первых принципов. Это дает право сказать, что мы в принципе понимаем, как рассчитать макроскопические свойства веществ из молекулярных постоянных.
Для более сложных систем требуется переход к иерархии аппроксимаций в ходе молекулярного моделирования. В этом случае текущая граница между ‘мы знаем’ и ‘мы не знаем’ в том числе определяется доступными вычислительными мощностями и численными алгоритмами. Мы не знаем априори, как решить подобную задачу в произвольном случае. Для нахождения решения требуются исследования, которые включают как экспериментальные измерения, так и поиск подходящего уровня аппроксимации. Успех решения этой задачи из первых принципов в случае простейших систем дает неплохие основания для уверенности в возможности решения таких задач. В любом случае на этом уровне решение задачи состоит из двух этапов — нахождение необходимых свойств веществ, а далее использование механики сплошных сред.
Вторая стрела объяснений связана с выводом уравнений механики сплошных сред из фундаментальных уравнений. В данном случае есть ряд решений, например, вывод основного уравнения термодинамики, но есть и нерешенные проблемы, среди которых выделю поиск стрелы времени и обоснование перехода от квантовых систем к сплошным средам.
В качестве примера рассмотрим утверждение ‘горение свечи подчиняется законам физики’. На базе механики сплошных сред в настоящее время разработано программное обеспечение, которое позволяет проводить расчеты горения свечи. Это дает право сказать, что свеча переходит из предыдущего состояния в последующее по законам физики, но под законами физики в этом случае понимается математический формализм механики сплошных сред.
При переходе к уровню квантовой статистической механики уже не удается сказать, что переход из предыдущего состояния в последующее происходит по законам физики. С одной стороны, в рассмотрении появляются гигантские флуктуации, которые позволяют вообразить протекание процесса в обратном направлении. С другой, при представлении горения свечи с использованием волновой функции всей системы требуется переход к интерпретациям квантовой механики. В обоих случаях происходит выход за уровень экспериментальных исследований. Таким образом, интерпретация утверждения ‘горение свечи подчиняется законам физики’ на этом уровне обычно заканчивается переходом к обсуждению натурфилософских проблем, см. раздел ‘Горение свечи на уровне фундаментальных уравнений физики‘ в этой статье.
В то же время существование двухступенчатого подхода к горению свечи — вначале моделирование необходимых свойств веществ, затем расчет по уравнениям механики сплошных сред — позволяет сказать, что мы можем объяснить горение свечи с использованием законов физики. Правда, в данном случае лучше всего заменить выражение ‘горение свечи подчиняется законам физики’ на более правильное, которое состоит из двух утверждений:
- Горение свечи описывается механикой сплошных сред.
- Существует связь между свойствами веществ, необходимыми для такого расчета, с молекулярными свойствами веществ.
В заключение надо отметить остающуюся исследовательская программу определения свойств вещества из молекулярных постоянных, которая включает как поиск необходимых аппроксимаций, так и экспериментальные исследования. На этом пути даже в случае горения свечи остаются нерешенные проблемы, которые в настоящее время закрываются использованием необходимых экспериментальных данных.
Отличие живой клетки от горения свечи
Основное отличие при переходе к рассмотрению роста микроорганизмов заключается в отсутствии эквивалента механики сплошных сред для описания живой клетки. При моделировании биореактора механика сплошных сред сочетается с использованием одной из моделей живой клетки из существующей иерархии. Это вносит существенные изменения в рассмотрение стрел объяснений в случае живой клетки. Становится непонятным, как перевести утверждение ‘клетка подчиняется законам физики’ на уровень экспериментальных исследований.
При рассмотрении горения свечи видна неоднозначность выражения законы физики. Можно выделить законы сохранения массы и энергии, с которыми нет проблем, поскольку законы сохранения закладываются в модели живой клетки. Однако законов сохранения недостаточно, и обсуждение экспериментальных исследований связано с использованием физической теорией. Таким образом, выражение ‘клетка подчиняется законам физики’ должно быть заменено на ‘клетка описывается физической теорией’.
Теория должна давать описание для перехода системы из предыдущего состояния в последующее. В случае горения свечи это достигалось при использовании механики сплошных сред. При описании живой клетки такой уровень отсутствует, имеется только иерархия моделей, которые должны быть перед использованием параметризированы. Напомню, что даже в молекулярной механике используются силовые поля, найденные с использованием экспериментальных данных.
С одной стороны, многое известно про работу клетки. Известен геном, механизмы работы, понятны реакции и механизмы, проходящие при росте клетки, а также есть много экспериментальных данных. С другой стороны, по-прежнему непонятно, как построить модель клетки, которую можно было бы эффективно использовать в промышленном росте микроорганизмов во всех случаях. При работе биореакторов существуют рабочие режимы, и существующие модели неплохо их описывают. Однако по разным причинам возникают нестандартные ситуации и хотелось бы, чтобы модели также передавали поведение живых клеток в этих условиях. В такой форме задача остается по-прежнему нерешенной.
Получается, что в итоге стрелы объяснений остаются на качественном уровне. Существует общая картина протекающих процессов при росте биомассы, но отсутствует универсальная количественная модель живой клетки, которая бы учитывала самые разные отклонения в работе биореактора. В промышленном росте микроорганизмов модели живой клетки в целом успешно работают. Проблема, однако, в том, что модели остаются моделями; из успешного использования модели живой клетки нельзя сказать, что достигнуто описание клетки на уровне физической теории.
В механике сплошных сред есть как минимум идеи расчета свойств веществ, которые в простейших системах были доведены до конца. В случае живой клетки остается непонятным, как можно рассчитать все свойства в моделях живой клетки из первых принципов. Расчеты из первых принципов в принципе возможны для отдельных процессов, протекающих в живой клетке, но далее остается непонятным, как совместить эти процессы вместе в работающую модель живой клетки.
Таким образом появляется серая границу между ‘мы знаем’ и ‘мы не знаем’ в случае функционирования одной живой клетки при использовании иерархии разных моделей. Такая граница, с одной стороны, связана с практическими возможностями проведения необходимых вычислений, с другой, со сложностью параметризации используемых моделей. В результате исследовательская программа при изучении живой клетки существенно отличается от таковой в случае горения свечи.
В заключение отмечу, что рассмотрение на уровне проводимых экспериментальных исследований дает другой взгляд на утверждение ‘клетка подчиняется законам физики’. Предыдущее рассмотрение биологии и физики было проведено на уровне ‘в принципе’, и это по сути дела переводило обсуждение проблемы в рамки натурфилософии. Более детальное рассмотрение научных работ на конкретном примере раскрывает текущую границу научного знания и тем самым переходит от натурфилософии на обсуждение собственно естественных наук.
Список литературы
Е. Б. Рудный, Сознание и теория виртуального мира, Ridero, 2026. Глава 4. Неподдающиеся проблемы, Раздел ‘Физика и биология: неподдающаяся проблема жизни‘.
Е. Б. Рудный, Горение свечи и уровни организации, 2026, PREPRINTS.RU. doi:10.24108/preprints-3114581
Nicolai S. Panikov, Genome-Scale Reconstruction of Microbial Dynamic Phenotype: Successes and Challenges. Microorganisms 9, no. 11 (2021): 2352.
Konstantia Georgouli, Jae-Seung Yeom, Robert C. Blake, and Ali Navid. Multi-scale models of whole cells: progress and challenges. Frontiers in Cell and Developmental Biology 11 (2023): 1260507.
Gerhards, L., Hungerland, J., Schuhmann, F., Kostritski, A.Y., Bačić, V., Geiger, B., Vidal, A.B., Pezeshkian, W., Ortmann, F., Wiebeler, C. and Solov’yov, I.A., 2026. Multiscale modeling approaches in biomolecular physics. Advances in Physics: X, 11(1), p.2660655.