загрузка...

Живая и неживая материя

  • 16.06.2010 / Просмотров: 7957
    //Тэги: жизнь   эволюция   Гордон  

    Существует ли общая закономерность в эволюции живой и неживой материи? Можно ли подходить к оценке живого с позиции физики и рассматривать формирование жизни как высшее проявление происходящих в природе процессов самоорганизации? О том, как формировалась живая материя во Вселенной, сегодня после полуночи биолог Мстислав Крылов и физик Михаил Либенсон.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Мстислав Крылов. Эволюция живой и неживой ма-
терии подчиняется одним и тем же концептуальным за-
конам физики и химии. И поэтому мы вместе с докто-
ром физико-математических наук Михаилом Либенсо-
ном решили разработать эту проблему на двоих.
Наверное, ты начнёшь, расскажешь, как возникла
Вселенная, об инфляционной гипотезе, о большом
взрыве, а потом я уже перейду к тому времени, когда
начала формироваться естественная материя и живые
организмы.
Михаил Либенсон. Спасибо за такую возможность.
Я должен сказать, что, хотя я знаком с общим взгля-
дом на Мир, основанным на теории Большого Взры-
ва, с тем, как возникла и развивается Вселенная, я не
являюсь глубоким профессионалом в этой области. Я
читаю лекции «Концепции современного естествозна-
ния» студентам одного из вузов Петербурга. И очень
этой темой интересуюсь. Но, поскольку здесь претен-
зий на какие-то новые вещи у нас нет, я просто напо-
мню, что, согласно теории Большого Взрыва, Вселен-
ная возникла как флуктуация, и первоначально, в пер-
вый момент, который и определить-то трудно (потому
что я дольше говорю, чем это состоялось), плотность
исходного вещества (Вселенная возникла из сингуляр-
ности) была чудовищной – 10 в 97-й степени грамм
на кубический сантиметр, а температура – 10 в 32-й
степени градусов, Кельвина, или Цельсия (тут неваж-
но, в чём определять), а дальше началось стремитель-
ное расширение того, что образовалось, и температу-
ра падала. А то, что образовалось, начало стремитель-
но меняться, преобразовываться. И проходило некото-
рые стадии. Эти стадии в течение первых трех минут
прошли так много ступеней эволюции, что изучение их
ещё только, так сказать, начинается. Если перечислить
только, то сначала получилось нечто с огромным отри-
цательным давлением, и, согласно общей теории от-
носительности, такая вещь не могла быть устойчивой.
Из неустойчивости получилось то, что уже стало по-
сле расширения обычным веществом. Но там присут-
ствовала огромная доля излучения. И то, что извест-
но из физики элементарных частиц, позволило понять,
что потом, спустя ничтожные доли секунды, получи-
лись первые барионы, а через очень короткое время
пошло образование ядер. И на протяжении долей се-
кунды образовались первые ядра самых лёгких эле-
ментов – водорода и гелия. Образование же тяжёлых
элементов, кирпичиков хорошо нам знакомого веще-
ства, произошло уже гораздо позже и длилось не доли
секунды, а миллионы лет. И за это время то, что воз-
никло, охватило огромные области. Но к этому мы ещё
вернёмся, когда появятся картинки, а пока коснёмся
вот чего. Главный и очень важный момент для обще-
го нашего рассказа в том, что мы увидим серьёзные
усложнения системы, которая возникла как некая не-
однородность.
Усложнение – это очень важное свойство мира, кото-
рый продолжает расширяться, оставаясь неравновес-
ным и сугубо нелинейным, по оценкам, уже 12-15 мил-
лиардов лет. Вот что можно сказать во вступлении о
неживой природе.
Мстислав Крылов. Ну что же, расширяющейся Вселенной свой-
ственна неравновесность. И многие процессы, проте-
кающие во Вселенной, неравновесны, в том числе и
жизнь. Жизнь можно охарактеризовать как открытую
неравновесную систему, находящуюся в стационар-
ном состоянии, когда приток вещества и энергии равен
оттоку.
В неравновесных системах могут проходить процес-
сы самоорганизации. Эти системы становятся чувстви-
тельны даже к очень слабым воздействиям. Они ста-
новятся чувствительными к слабым гравитационным
полям, к электромагнитным полям. Короче говоря, эти
системы становятся необычайно чувствительными к
любым флуктуациям. И они способны подстраивать-
ся под изменяющиеся условия. Кроме того, эти си-
стемы ещё и стремятся к уменьшению производства
энтропии. Одним из мощных антиэнтропийных факто-
ров является усложнение системы. Поэтому усложне-
ние, о котором сказал Михаил Наумович, определя-
ется именно состоянием системы, её неравновесно-
стью. И эти усложнения, конечно, протекают с участи-
ем обратных связей, либо положительных, либо отри-
цательных.
Что можно сказать об общности законов физики и
химии для живых организмов? Размеры клетки опре-
деляются законами диффузии. Известно, что масса
клетки растёт пропорционально кубу, а поверхность
клетки, через которую осуществляется диффузия ве-
ществ, также растёт, но пропорционально квадрату.
Значит, клетка не может быть очень большой. Таким
образом, закон диффузии накладывает ограничения
на размеры клетки.
Ещё пример – мы все прекрасно знаем, что ство-
лы растений, крупных деревьев, скажем, имеют в раз-
резе радиальную форму. Вот эта радиальная форма
определяется гравитацией. Скажем, «торпедовидная»
форма животных, быстро перемещающихся в плотных
средах – акул, дельфинов – определяется гидродина-
мическими законами. Наконец, размеры или, вернее
даже, масса летающих птиц определяется законами
аэродинамики. Самая большая птица, которая может
летать, это дрофа, и она не может иметь весь больше
23-24 килограмм.
Александр Гордон: Жить в физике и быть свобод-
ным от физики невозможно.
Мстислав Крылов. Невозможно. Законы физики диктуют очень
жёстко конформацию живой материи.
Михаил Либенсон. Если можно, я тут скажу несколько слов. Уже
прозвучало, что и неживой и живой материи прису-
ще свойство самоорганизации. Надо сказать, что это
очень важная концепция – концепция самоорганиза-
ции, которая известна давно и происходит от есте-
ственных наук. Она стала более широкой и глобальной
по своему значению, влиянию и применению, чем пер-
воначально.
Здесь существенно подчеркнуть, что самоорганиза-
ция возникает в открытых системах, где должны быть
развитыми системы обратных связей – положитель-
ных и отрицательных. Положительные обратные связи
важны в том отношении, что в нелинейной системе мо-
жет самопроизвольно происходить переход из одного
состояния в другое. Флуктуация, которая связана по-
ложительными обратными связями с этими условия-
ми, позволяет ей самой не самоуничтожаться быстро,
а продолжать действовать. И постепенно системе уже
невозможно оставаться в предыдущем состоянии, и
она переходит в новое. А отрицательные обратные
связи стабилизируют ситуацию. Поэтому мы имеем во
времени некий переход. В пространстве он может со-
провождаться образованием диссипативных структур,
вообще, неким формообразованием. И это существен-
но. Причём, имеются системы с накоплением измене-
ний.
Система может запомнить изменение, а потом его
усилить на следующих циклах. Это тоже объединяет
и физические законы, и то, что может иметь место в
биологических системах. Об этом мы ещё поговорим
попозже.
Мстислав Крылов. Я хотел бы поговорить о том, каким обра-
зом процессы, существующие в неживой материи, ис-
пользуются живыми системами. Так скажем, переда-
ча энергии в сопряжённых химических реакциях про-
исходит через промежуточный продукт. Если мы себе
представим реакцию, скажем, А-В-С, а следующую ре-
акцию сопряжённую С-D-E, то С будет общим продук-
том для этих двух цепочек химических систем, причём,
в одной она будет конечным продуктом, а в другой си-
стеме будет начальным продуктом. Такие процессы су-
ществуют в неорганической природе, и они очень ши-
роко распространены в биологической природе.
И очень важны для понимания функционирования
живых систем так называемые процессы кросс-катали-
за. Например, реакция Жаботинского-Белоусова, где
химические молекулы синхронно меняют своё тожде-
ство, и раствор превращается по цвету то в красный,
то в синий. Эту реакцию называют «химическими ча-
сами» – через равные промежутки времени меняет-
ся цвет раствора. Это объясняется тем, что конечный
продукт катализирует начальный продукт, это кросс-ка-
тализ. Такие реакции широко наблюдаются в биоло-
гии. Скажем, синтез нуклеиновых кислот определяет-
ся белками. А структура белков, и их синтез определя-
ется нуклеиновыми кислотами. Кросс-катализ имеется
и в неживой природе, и в живой природе, то есть су-
ществует некий континуум эволюционных процессов в
этих системах.
Михаил Либенсон. В итоге такого вступления мы постарались про-
следить примеры закономерностей, известных из фи-
зики и хорошо уже проверенных, в частности, законо-
мерностей самоорганизации, и сделать качественные
выводы, которые очень похожи на то, что имеет место
и в живой природе. Это даёт больше оснований думать
о том, что они действительно связаны между собой.
И вообще говоря, в чём-то природа едина и не нужда-
ется в каких-то специфических, очень иногда надуман-
ных концепциях, объясняющих непреодолимое разли-
чие между неживой и живой природой. Мы, конечно,
не касаемся всего сразу. Здесь очень много вопросов
можно задать. Мы можем говорить только о том, о чём
говорим сами.
И ещё можно сказать вот что. Концепция рождения и
развития Вселенной, собственно, не такая уж старая.
Когда я учился в школе, нас учили, что Вселенная без-
гранична, она никогда не начиналась во времени, и ни-
когда не закончится. И уже начав работать, я узнал, что
существуют просто захватывающие по своему сюжету
сценарии развития Вселенной, – это уже вторая поло-
вина XX века.
Любопытно вот что отметить. Считается, что XX век
– это время триумфа биологии. Сколько много важных
Нобелевских премий присуждено за выдающиеся ра-
боты в области биологии и примыкающей к ней меди-
цине. Много работ, конечно, и по физике удостоено Но-
белевской премии. Но среди выдающихся достижений
науки, на мой взгляд, как-то не очень заметно то, что
сделал ряд учёных (их не так много), которые разра-
ботали концепцию Вселенной. Просто для этого нуж-
но иметь глубокие профессиональные знания, гораздо
более глубокие, чем может пропустить через себя да-
же человек, имеющий высшее образование. И в этом
трудность – как донести это до слушателей, читателей,
зрителей.
А.Г. Ещё одна проблема. Дело в том, что наблю-
дательные экспериментальные данные, особенно в
астрофизике, с каждым днём обновляются, прибавля-
ются, заставляют теоретиков менять свои представле-
ния о том, что было справедливо ещё год назад, два
года назад. Поэтому, конечно, астрофизика – и космо-
логия, как следствие, – сейчас тоже впереди, на коне.
Но всё-таки, не проводя жирной черты между живой и
неживой природой, утверждая, что и та, и другая разви-
ваются и действуют по одним и тем же законам услож-
нения, самоорганизации и усложнения – всё-таки мы
натыкаемся-то на невозможность экспериментальным
путём получить ту самую первую форму жизни, ту са-
мую первую, не знаю, как её назовём, – «матрицу»,
способную репродуцироваться. И это остаётся огром-
ной загадкой.
Мстислав Крылов. Я бы на этот вопрос ответил так. В неравно-
весных системах идут необратимые процессы. Время
имеет направленность, и поэтому невозможно повто-
рить то, что уже было. Попытки это сделать, правда,
предпринимаются, но, в общем, они большого успеха
не имеют. Дело в том, что, скажем, амфибии произо-
шли от рыб. Но амфибии не могут превратиться в рыб.
Ступеньки такие: рыбы, амфибии, рептилии, птицы и
млекопитающие. Млекопитающие опять вернулись в
воду, дельфины, китообразные – но ведь они не при-
обрели жабры. Они решили эту проблему иначе. То
есть эволюция необратима. В зоологии это формули-
руется как закон Долло. Но это лишь частный случай
общего закона однонаправленности времени.
А.Г. Но, тем не менее, присутствуют же регрессив-
ные формы в эволюции, когда некий вид сознательно
отказывается от морфологических признаков, которые
он приобрёл в течение эволюции – по сути дела, упро-
щаясь, а не усложняясь. Это же тоже эволюция.
Мстислав Крылов. Это характерно для многих паразитов. Пара-
зит возлагает часть функций на хозяина, система па-
разит-хозяин при этом усложняется.
А.Г. Продолжайте, извините, что перебил.
Мстислав Крылов. Я хотел ещё остановиться на основной нашей
концепции, мы почему-то о ней ничего не сказали – на
том, что материя принимает формы в соответствии с
условиями. И, как я уже говорил, – в сильно неравно-
весных состояниях материя подстраивается под усло-
вия.
А.Г. Когда вы говорите «форма», вы что имеете в ви-
ду?
Мстислав Крылов. Скажем, если о неорганической материи, я бы
сказал так: водород превращается в гелий при опре-
делённых условиях. Чтобы эта реакция произошла,
нужно 10 миллионов градусов.
А.Г. Всё понятно.
Мстислав Крылов. На ранней Земле простейшие организмы жили
без свободного кислорода, то есть не было кислоро-
да, и они прекрасно существовали и размножались. И
они дали начало сине-зелёным водорослям, которые
стали использовать энергию солнечного света, то есть
начался фотосинтез. В результате метаболизма начал
выделяться свободный кислород, и он стал появлять-
ся в атмосфере. И этот кислород уже был ядом для
тех начальных форм, которые породили новые. Поэто-
му эволюцию можно сформулировать таким образом
(вот на этом этапе, крупномасштабно, чтобы понять):
новое зарождается в недрах старого, новое изменя-
ет условия, и эти условия становятся неприемлемыми
для старого. И старое должно либо погибнуть, либо уй-
ти с авансцены.
Михаил Либенсон. Либо трансформироваться.
Мстислав Крылов. Поэтому анаэробы, организмы, которые могут
жить только без наличия свободного кислорода в атмо-
сфере, вынуждены были уйти в илы, то есть туда, где
нет свободного кислорода. А всю арену жизни заняли
организмы, которые используют свободный кислород.
Таким образом, они очень сильно продвинулись, пото-
му что использование кислорода позволяет более эф-
фективно осуществлять метаболизм.
А.Г. Хотя любопытно было представить себе, как по-
шла бы анаэробная эволюция, если бы не случилось
то, что случилось.
Мстислав Крылов. Да. Это очень интересно. Но всё-таки есть та-
кая точка зрения, что они непременно бы дали нача-
ло организмам, которые начали использовать энергию
солнца.
Михаил Либенсон. Ну да, быть более приспособленными к тем
условиям, которые есть.
Мстислав Крылов. Потому что закон усложнения диктует материи
этот путь – физический закон, кстати.
А.Г. А закон усложнения говорит о том, до какой сте-
пени материя может быть усложнена?
Мстислав Крылов. Нет, нет.
А.Г. То есть это бесконечный процесс.
Мстислав Крылов. Физики говорят: «будущее не задано», поэтому
трудно сказать.
Михаил Либенсон. Это на самом деле вопрос очень дискусси-
онный и интересный, в принципе. Вот скажем, очень
сложная система, многофакторная, открытая система,
где есть сильные обратные связи, которая способна к
неустойчивости. Тут предсказать поведение системы
очень трудно. Более того, есть так называемый гори-
зонт прогноза для таких систем, когда небольшое от-
клонение в начальных условиях ведёт на определён-
ном шаге к непредсказуемому результату. И в этом пла-
не словесные представления недостаточны.
Математическое описание – где да, где нет. Но да-
же при его наличии мы получаем некую непредсказуе-
мость. И это очень важный вывод современной синер-
гетики, одной из очень быстро прогрессирующих обла-
стей знания. К ней относятся по-разному разные учё-
ные, я не хочу в эту полемику вступать, но именно ей
принадлежит такой вывод, что мир непредсказуем – в
широком смысле. Поэтому здесь нельзя говорить о де-
тальной точности.
Но можно обратиться теперь к другой точке зрения
по этому вопросу. Мы говорим: мир не равновесен. И
это очень правильно. Собственно, все науки, астрофи-
зика, космология, все они уже экспериментально сви-
детельствуют о том, что мир действительно не равно-
весен. Он не линеен, это тоже понятно. Но спрашива-
ется: а всё-таки к чему стремится весь Мир – с боль-
шой буквы? К какому-то равновесию, в конце концов,
как какая-то конкретная система, или нет? Каково гло-
бальное будущее? Так вот спрашивается: на какое вре-
мя давать прогноз? И тут ответа, конечно, нет. Потому
что и этот вопрос остаётся вопросом.
То есть с любой точки зрения есть разные реше-
ния… До сих пор неизвестно точно, какова средняя
плотность вещества во Вселенной. То ли она будет
непрерывно раздуваться и расширяться, то ли будет,
в конце концов, возвратное движение и схлопывание,
которое пойдёт по другому пути, и само по себе это бу-
дет уже совершенно другой процесс эволюции.
А.Г. Но вот от астрофизиков я слышал версию о том,
что открытие физического вакуума и определение того
факта, что Вселенная расширяется с ускорением, го-
ворит всё-таки о конечном разуплотнении вещества во
Вселенной, по крайней мере, в видимой его части, и,
так или иначе, финал неизбежен.
Михаил Либенсон. Ну, да. Это другой финал. Правильно? Да, это
иная схема финала. Но время достижения финала в
этом смысле тоже растяжимо. То есть, на что заказы-
вать прогноз?
Мстислав Крылов. Физики постулируют, что будущее не задано,
и, тем не менее, они не могут удержаться от гипотез.
Предположим, что же будет, когда Вселенная переста-
нет расширяться и время потечёт в обратную сторону?
Ибо Вселенная, по модели Фридмана, пульсирует.
Михаил Либенсон. Вот я вижу картинки. Это что значит?
А.Г. Это значит, что вы можете говорить о них. По-
жалуйста.
Михаил Либенсон. Я узнал одну из своих картинок, которая отно-
сится к теме самоорганизации. Это довольно старая
картинка. Это вспышка излучения импульсного лазера,
которое через линзу фокусируется на поверхность ма-
териала и производит облучение с довольно высокой
плотностью мощности, так что поверхность изменяет-
ся. Среди различных изменений, простых и сложных,
можно заметить типичные картины самоорганизации,
которые нам интересны. О них я могу чуть подробнее
рассказать, если мы увидим следующую картинку.
Вот такая интересная шляпка. Был сделан следу-
ющий опыт, сделан физиками Узбекистана, тогда Уз-
бекистан был республикой Советского Союза. Это из-
лучение непрерывного лазера на углекислом газе по-
давалось на поверхность медной пластины, доволь-
но толстой. Излучение было достаточным для того,
чтобы пластина оплавилась. И вот из области рас-
плава начал подниматься вот такой «пенёк», который
возвысился и закристаллизовался. Это некие доволь-
но сложные композиции из металла, его окислов: это
медь, Cu2О, покрытая сверху пластиночками (затвер-
девшими окислами), как шапочкой. Это типичная кар-
тина самоорганизации. Такой результат не задан ни-
какими условиями самой медной пластины. «Пенёк»
появился в результате действия излучения и факто-
ров, которые способствовали вытягиванию материала,
вроде как зарождающегося смерча. Это один тип са-
моорганизации при воздействии лазерного излучения.
Я занимаюсь лазерным воздействием очень давно, по-
этому мне ближе эти картинки. Следующие две тоже
очень интересны.
Вот тут, может, не очень хорошо видно, но, если
приглядеться, то можно увидеть серию «полосочек»,
или рябь на поверхности. Это более мягкое воздей-
ствие уже нескольких импульсов лазерного излучения
на поверхность полупроводника. А «полосочки» соот-
ветствуют образованию так называемых самооргани-
зующихся поверхностных структур. Не говоря деталь-
но о том, как это происходит, я хочу сказать, что во
многих областях науки были сделаны любопытные ша-
ги вперёд. Например, в оптике стало возможным гово-
рить о том, что при падении света на границу раздела,
не всех сред, но многих, на поверхности происходит не
только отражение света и преломление, но и частич-
ное преобразование света в поверхностную электро-
магнитную волну. Она интерферируют с падающей, и
в интерференционном поле образуется такой рельеф.
Этот рельеф закрепляется – поверхность оплавлена и
начинает чуть-чуть испаряться, в температурных мак-
симумах индуцированного поля происходит «выеда-
ние» луночки, а в минимумах остаётся бугорок.
Интересно вот что. Чем больше высота такой струк-
туры, тем сильнее преобразование света в поверх-
ностную волну, тем глубже модуляция, и от импульса к
импульсу идёт усиление такой структуры.
А вот следующая картина, она наиболее характер-
на. Когда я показываю её на лекциях, я спрашиваю: что
это такое? Самый простой ответ, типичный, между про-
чим, что это вязаный свитер, с дырками, правда. Вот
приглядитесь, можно так сказать? Свитер, правда?
А.Г. Можно сказать, да. А можно отнести это, кстати,
и к вашей области деятельности. Поскольку похоже на
поверхность какого-нибудь листа…
Михаил Либенсон. А вот на самом деле это тоже последователь-
ное воздействие на поверхность, скажем, германия (в
данном случае неважно) серии лазерных импульсов,
которые привели к образованию целой гаммы поверх-
ностных волн, которые интерферируют и очень силь-
но изменяют форму поверхности. В чём здесь само-
организация? В процессе такого воздействия возни-
кают и усиливаются положительные обратные связи
между изменениями высоты рельефа и коэффициен-
том преобразования лазерного излучения в поверх-
ностную волну – от импульса к импульсу. И если доба-
вить, что здесь тысяча импульсов воздействовала, это
будет очень любопытно.
Так вот, можно провести некие аналогии между тем,
что происходит в таких опытах (кстати, они достаточ-
но интересны и сами по себе) и, допустим, какими-то
биологическими процессами. В чём сила самооргани-
зующейся системы? В появлении таких обратных свя-
зей. Она закрепляет то, что получилось, даже при им-
пульсном воздействии, и сохраняет это до следующего
такого воздействия. Возможна эстафетная передача с
постепенным переходом от исходной системы к новой.
Ведь, собственно, такой системы не было, она появи-
лась и осталась тут в виде картинки, можно образец
показать. Можно эту систему разрушить, условия из-
менятся, и такой рисуночек пропадёт.
В биологии тоже такое возможно, и в химии это воз-
можно. И в этом смысле самоорганизация – это дей-
ствительно процесс, который очень широк по своим
возможностям. Вот о чём я хотел сказать.
Мстислав Крылов. Я хочу немножко рассказать о процессах само-
организации, проходящих в живых системах. Ты упо-
мянул очень интересную вещь – это эстафетность эво-
люции. Потом поговорим подробнее об эстафетном ха-
рактере эволюции.
Молекулы ферментов синтезируются на матричной
РНК из аминокислотных остатков и имеют линейную
форму. Потом уже идёт сложный процесс, когда они
«сходят» с этого конвейера, и молекулы приобретают
трехмерную структуру, они усложняются, самооргани-
зуются. И сама молекула, организуется таким образом,
что свободной энергии становится мало. Причём жиз-
ненные процессы идут только в водной среде. В во-
де, которая окружает её, энтропия увеличивается. Так
что энтропия воды либо остаётся на постоянном уров-
не, либо даже возрастает. Но в системе молекулы она
уменьшается. Это ещё раз подтверждает, что неравно-
весные процессы, в общем, ведут не всегда – это не
абсолютная вещь – но, по крайней мере, иногда ведут
к уменьшению энтропии.
Рибосомы, на которых идёт синтез белка, самоорга-
низуются. Есть такой фермент альдалаза: если её под-
кислить, то она диссоциирует на две нефункциональ-
ные части. Если её до нейтральной pH довести, ска-
жем, до 7, то они опять реассоциируются. Они помнят
о том, как они были когда-то соединены. Причём, эти
реакции очень специфичны.
Нативные гемоглобины ассоциируются только от то-
го животного, от которого они произошли.
Теперь я хотел бы немножко поговорить об эстафет-
ном принципе эволюции. Прежде, чем появился гелий,
был водород… И даже можно раньше начать. Пре-
жде, чем появилась молекула, был атом. Дальше я пе-
рейду сразу к живому, не буду дальше развивать эту
мысль. Сначала появился химический элемент, потом
молекула, потом комплексы молекул, потом межмоле-
кулярные комплексы, мембраны, различные органел-
лы, как я уже говорил, рибосомы – даже частицы виру-
са подвержены самоорганизации. Но всё это происхо-
дит, как вы видите, эстафетно. Сначала простая фор-
ма организации, на её базе строятся следующие фор-
мы и так далее. Сначала рыба, потом амфибия, ам-
фибии предшествуют рептилиям, а рептилии предше-
ствуют птицам и млекопитающим. То есть имеется не-
кий процесс, в котором обязательным условием для
возникновения следующей сложной организации явля-
ется предшествующая ей менее сложная организация.
А.Г. То есть, грубо говоря, не изобретается сначала
велосипед, а потом мотоцикл. Сначала велосипед, по-
том велосипед с моторчиком, потом велосипед с гораз-
до более сильным моторчиком. И уж только потом…
Мстислав Крылов. В последнее время молекулярные биологи у
многих организмов секвенировали геномы – это после-
довательность нуклеотидных оснований ДНК. И это по-
зволило выявить, что организмы, далеко отстоящие
друг от друга систематически, как например, человек и
мышь, имеют до 95% одинаковых генов. Раньше в это
вообще бы никто бы не поверил. Из этого видно, что
эволюция имеет необратимый эстафетный характер.
Михаил Либенсон. Это тоже рассматривать как пример специфи-
ческой самоорганизации – постепенной, в меняющих-
ся условиях. Я тут повторю Славу: в меняющихся усло-
виях живая система по принципу физико-химических
процессов, протекающих в ней, формирует обратные
связи, которые именно и дают приспособление к усло-
виям и закрепляют некие новые признаки. А посколь-
ку все эти системы нелинейные и неравновесные, это
возможно. И где-то происходит насыщение подобного
процесса, вступают в действие обратные связи друго-
го знака, идёт закрепление. Это может идти на уровне
химическом, физико-химическом, на уровне уже более
крупномасшатбном. В конце концов, ведь нельзя гово-
рить о том, что появившееся новое живое – новый вид,
скажем – что он будет сам по себе жить. Новый вид
будет жить в условиях реального мира, среди других
живых существ, где идёт борьба за выживание – хотя
это и не определяет всё. Определять всё будут вот эти
цепочки обратных связей.
Мстислав Крылов. Относительно борьбы за существование, я вам
должен сказать, что эволюция идёт в экосистемах. И
одним из самых талантливых, я бы так сказал, энергич-
ных учёных, развивающих эту идею (она возникла зна-
чительно раньше, у Вернадского; Берг говорил ещё об
этом), является академик Заварзин. Он считает, и это,
по-моему, совершенно верно, что отношения в экоси-
стемах преимущественно кооперативное. Именно по-
этому существует организм и поэтому существует си-
стема.
А в качестве простого примера можно привести, ска-
жем, синтез кислорода растениями, который использу-
ют млекопитающие, и выдыхание углекислого газа, ко-
торый используют растения. Достаточно отключить ка-
кую-то систему, и вся эта экосистема может рухнуть.
Значит, это отношение всё-таки кооперативное, и это
объясняет существование в экосистемах, на Земле и
очень примитивных организмов, очень древних (си-
не-зелёные водоросли до сих пор можно найти), и вы-
соко продвинутых, таких, как человек, скажем. То есть
эти организмы занимают соответствующие экологиче-
ские ниши, и они могут существовать только вместе,
раздельно они не могут существовать. Поэтому обяза-
тельное условие существования отдельного индивиду-
ума – соответствие системе.
Что интересно, и в социологии это проявляется. Вот
пророки крупных религий, и Магомет, и Христос, они не
соответствовали по своим взглядам системам, и они
вначале подвергались гонению. Значит, когда что-то не
соответствует, тогда начинает работать естественный
отбор. То есть естественный отбор, на мой взгляд (мо-
жет быть не абсолютно, но в большинстве случаев),
играет консервативную роль в эволюции.
Михаил Либенсон. Стабилизирующую роль.
Мстислав Крылов. Он стрижёт, как говорится, то, что выросло, он
придавливает. Вот что можно сказать о гетерогенных
системах.
А.Г. Но стрижёт, простите, признаки и прогрессив-
ные, и регрессивные?
Мстислав Крылов. Да, да – и прогрессивные, и регрессивные. Так
что побеждает не сильнейший, а побеждает соответ-
ствующий. Когда мы наблюдаем, скажем, ритуальные
бои за самку у птиц или у млекопитающих, часто это
интерпретируется так, что побеждает сильнейший. Но
на самом деле побеждает соответствующий взглядам
самки на то, каким должен быть самец её вида. Пони-
маете, он должен себя вести типично, так, чтобы сам-
ка сказала: «Да, вот это голубь». Не канарейка или ка-
кой-то другой вид птицы. То есть эти ритуальные бои
подтверждают его самость, его принадлежность к это-
му виду.
А.Г. Всё-таки, если можно, в нескольких словах об
эволюции неживой материи. Потому что с живой ма-
терией всё более-менее понятно. Но если жизнь и не-
жизнь развивается по одним и тем же законам, то мы
должны находить следы эволюции неживой материи
не в первые три минуты существования Вселенной, а
до сегодняшнего дня.
Мстислав Крылов. Я могу ответить на этот вопрос?
Михаил Либенсон. Ради Бога. А я добавлю.
Мстислав Крылов. Дело в том, что, во-первых, стартовые усло-
вия на Земле в известной мере определили эволюцию.
Одна из основных гипотез происхождения Земли та,
что после взрыва сверхновой газовые облака и остат-
ки сверхновой в результате вращения сформировали
Солнечную систему, в центре которой звезда и вокруг
неё вращаются планеты. Так вот в планету Земля слу-
чайно попали 20 химических элементов, которые необ-
ходимы для построения жизни. Кроме того, сформиро-
валась определённая плотность этой планеты и её…
А.Г. Удалённость от Солнца.
Мстислав Крылов. …её удалённость от Солнца. Вот эти условия
позволили сформироваться жизни. Таких условий на
других планетах Солнечной системы нет, и пока мы там
жизни достоверно не находим. Мы её ищем и очень
тщательно, но пока ничего не получается.
Так вот, в первые, ранние периоды образования Зе-
мли химические элементы, которые в неё вошли, нача-
ли «развиваться» сами собой, автоматически, с обрат-
ными связями – хотя это не живая система. Из неорга-
нических элементов под влиянием солнечной энергии
и энергии тепла Земли начали появляться органиче-
ские молекулы. Появились все аминокислоты, появи-
лись все нуклеотидные основания, появились сахара,
липиды, то есть те кирпичики, из которых составляется
жизнь.
И вот в данном случае я бы хотел перейти, может
быть, к более интересному…
А.Г. Нет, вы не спешите. Мы только подошли к са-
мому интересному. Хорошо, в результате самооргани-
зации, самоусложнения живой материи возник набор
органических веществ. А как они-то самоорганизова-
лись?
Мстислав Крылов. Этот процесс длился около миллиарда лет.
Предполагается, что на основе тех механизмов, о ко-
торых мы говорили, начали формироваться комплек-
сы молекул, мембраны, органеллы, клетки. Я хочу ска-
зать на эту тему следующее. Здесь присутствует всё-
таки редукционный подход. Мы говорим о частях и по-
том пытаемся их соединить. Живая система, как она
функционирует?
Здесь я ещё раз возвращаюсь к тому, о чём мы гово-
рили. Илья Романович Пригожин, физик, в 47-м пред-
ложил теорию, а в 77-м только ему за это дали Нобе-
левскую премию – 30 лет ждал почти. Он сделал то
великое открытие, что в неравновесных системах про-
исходит усложнение и как следствие – самоорганиза-
ция, потому что неравновесные системы стремятся к
самоорганизации. Таким образом, движущим механиз-
мом самоорганизации, или организации живого, явля-
ется именно то, что эти системы неравновесны. А не-
равновесны они потому, что Вселенная неравновесна.
А.Г. Но тут ещё один вопрос. Существуют новейшие
теории, которые говорят, что 70 процентов материи, ко-
торая существует – это физический вакуум, а ещё 27
процентов, как я услышал от астрофизиков – это тём-
ные материи, или тёмные энергии. И только 1 процент
– это наблюдаемый нами мир, то есть звёзды и так да-
лее. И одна миллиардная, неисчислимо малая доля
процента – это живое вещество. Всё-таки, если гово-
рить о неживом веществе в масштабах Вселенной, ка-
ков эволюционный путь этого вещества? Вы мне рас-
сказали, как формировалась жизнь на Земле и поче-
му это можно считать эволюцией неживой природы,
её дальнейшей самоорганизацией и так далее. А всё
остальное, вся остальная масса вещества во Вселен-
ной, как она эволюционирует?
Мстислав Крылов. Жизнь можно рассматривать как естественный
процесс эволюции материи…
Михаил Либенсон. Сначала отойдём немножко от жизни в сторо-
ну неживой материи. Допустим, мы забудем о началь-
ных нескольких минутах – сначала всё это однород-
но расширялось, а потом появились неустойчивости. И
сначала появляются отдельные фрагменты материи. И
там шли, насколько я понимаю, с большой эффектив-
ностью реакции антианнигиляции, излучение превра-
щалось в вещество. Это вещество разлеталось снача-
ла с огромными скоростями, постепенно скорости за-
медлялись, формировались мощные гравитационные
силы. И вещество фрагментами образовывало прото-
галактики. Наступила тёмная эпоха. Излучение было
микроволновым, оптического света не было, и эта тём-
ная эпоха длилась много миллионов лет.
Из протогалактик образовались первые звёзды. Они
были очень яркие, они были очень большие, больше
Солнца в сотни раз по диаметру. Они привели к силь-
ной ионизации окружающего молекулярного газа. Я,
конечно, опускаю целый ряд моментов. И всё это по-
служило началом того этапа расширения Вселенной,
который длится до сих пор. Потом из протогалактик по-
лучились звёзды, а потом звёздные системы – галак-
тики, а далее – скопления галактик. Это всё можно на-
блюдать, это достижения оптической и радиоастроно-
мии, среди которых следует упомянуть открытый Хабб-
лом важный закон разбегания галактик, который лежит
в основании теории Большого взрыва и подтвержда-
ет модель расширения Вселенной из первоначальной
сингулярности.
Вопрос в другом: и что дальше? Но прежде: не что
дальше, а что внутри всего этого дела? Уже ясно, и
мы сегодня немножко касались этого, что химические
элементы формировались в недрах звёзд где-то уже
спустя миллионы лет после взрыва. Из данных астро-
номии, которые сейчас позволяют ретроспективно «уй-
ти» на несколько миллиардов лет назад, видно обед-
нение спектра излучения далёких объектов – количе-
ство химических элементов было меньше, чем сейчас.
Но ведь вещество действительно составляет очень
малую часть Вселенной. Всё остальное – тёмная ма-
терия: это элементарные частицы, но тут много дис-
куссионного, неоткрытого до конца. А вот дальше, если
мы будем говорить о структуре галактик, эволюция ко-
торых прослежена и неплохо, то там можно выделить
отдельные звёздные системы. Теперь уже известно,
что существуют планетарные системы не горячие, не-
кие тела больших размеров, которые не коллапсируют,
у которых температура не несколько тысяч градусов –
это была версия, – а гораздо меньше, и где возможны
условия для других процессов. Так вот что это такое?
Мы видим уже новые агрегатные состояния вещества,
есть образования не просто газов, а конденсированых
сред: жидких, твёрдых. Они принимают определённую
форму, которая определяется динамикой их движения,
и если у них есть атмосфера – газовая оболочка вокруг
них – то формы получаются более гладкие, сглажен-
ные.
Бурная история Земли, которая тоже неплохо изуче-
на, говорит о том, что сначала это была горячая пла-
нета (но не сверхгорячая, как звезда), и там была бур-
ная тектоническая деятельность, менялся химический
состав атмосферы, менялось содержание разных эле-
ментов в ней, которые были захвачены на предыдущей
стадии.
Вот эволюция неживой материи. От отдельных ато-
мов к молекулам, к изменению агрегатного состояния,
к образованию «огромных» форм из этих агрегатных
состояний гидросферы, атмосферы, суши. Плюс взаи-
модействие с очень сложными процессами изменений
климата, я уже не говорю о погоде. Плюс учёт приро-
ды, как огромной системы, как того, что изучают науки
о земле. С учётом различных полей, которые влияют
на наши условия, – это электромагнитные взаимодей-
ствия и гравитационные. Всё остальное находится го-
раздо более компактно. Так вот это эволюция неживой
материи.
Я думаю, тут можно поставить и точку, конечно, если
говорить о том, что нынешнее состояние довольно
протяженно во времени – и будет протяжённым. И это
существенный момент.
Мстислав Крылов. Позвольте мне, а то сейчас время закончится.
Надо нам всё-таки сказать о том, что формирование
жизни – это естественный процесс эволюции материи.
И везде во Вселенной, где имеются соответствующие
условия, может существовать жизнь. То есть, Земля –
это не единственное космическое обитаемое тело. Не
единственное. И если учесть, что во Вселенной имеет-
ся около десяти в одиннадцатой степени звёзд, кото-
рые могут иметь планетные системы, то вероятность
таких условий, как на Земле, повышается. И ещё я хо-
тел бы обратить внимание на то, что и неживая, и жи-
вая природа обладают модульным принципом постро-
ения.
Михаил Либенсон. Я согласен.
Мстислав Крылов. Сейчас особенно большие успехи делает гене-
тика. Показано, что эволюция идёт не в результате то-
чечных мутаций изменения гена, а модулями, как в ар-
хитектуре. Вы можете из кирпича построить и простую
хижину, и дворец, и храм. И вот из этих генов можно
построить любой – ну, не любой, а разные организмы.
Михаил Либенсон. И вот тут важно проследить переход от того,
что мы знаем о неживой материи, к живой. В чём он
заключается? Тут ответа нет пока, это сложный вопрос.
Мстислав Крылов. Потому что чёткого перехода нет.
Михаил Либенсон. Конечно. Но вместе с тем он позволяет опре-
делить некие формы переходные, которые, с одной
стороны, по своей структуре, атомному составу, могут
быть отнесены скорее к неживой природе, но которые
приобретают новые функции, которые могут их отли-
чать от обычной неживой природы в дальнейшем раз-
витии, самоорганизации.
Мстислав Крылов. Всё-таки эволюция квантована, хотя ты, по-мо-
ему, с этим не очень согласен? Поэтому есть индиви-
дуумы, есть отдельные виды, есть мужчины, есть дети
– это всё кванты жизни. Поэтому переходные формы, о
которых ты сказал, мы не наблюдаем. Нет переходных
форм между живым и неживым.
А.Г. Но мы и эволюцию не наблюдаем. Мы наблюда-
ем только историю эволюции.
Михаил Либенсон. Это могло совершиться когда-то.
Мстислав Крылов. В общем-то есть некоторые наблюдения по
формированию новых видов, но они очень скромные,
сейчас о них говорить, по-видимому, не стоит.
Михаил Либенсон. Конечно. Дело в том, что и существование на-
уки, которая позволяет всё это проследить, – это ни-
чтожная искорка. Такой ничтожный момент времени,
что тут вопросов можно задать много, и даже задать их
ещё надо уметь. Поэтому вот путь, который мы счита-
ем очень перспективным: первое – и в неживой, и в жи-
вой природе происходит усложнение. Второе – очень
существенны процессы самоорганизации, которые и
могли быть тем переходным мостиком, который пре-
одолел этот разрыв.
И где-то должны были быть, конечно, качественные
скачки…


Обзор темы


Известно, что в древнейших (3.5–3.4 млрд. лет назад) осадочных формаци-ях были обнаружены строматолиты (результат жизнедеятельности прокариотного сообщества). Это указывает на появление на Земле не одного организма, а целой экосистемы. Интересно, можно ли обосновать эту гипотезу без упомянутых па-леонтологических находок?
Вселенная, которой свойственны неравновесность и, частично, необрати-мость, постоянно расширяется, а уровень ее организации усложняется. В неравно-весных системах универсальный способ передачи энергии от одной химической реакции к другой осуществляется путем сопряжения этих реакций через общий промежуточный продукт. «Разрешающее» условие для самоорганизации — суще-ствование положительных обратных связей в системе и «каталитических» эффек-тов. Те же химические реакции могут ускоряться или замедляться одним из ее продуктов. Стационарному состоянию неравновесной системы (в условиях, пре-пятствующих достижению равновесного состояния) соответствует стремление к минимальному производству энтропии.
Если к оценке живого подходить с позиции физики неравновесных процес-сов, то жизнь укладывается в рамки естественного порядка и может быть опреде-лена как высшее проявление происходящих в природе процессов самоорганиза-ции. Живая клетка — открытая неравновесная система, находящаяся в стационар-ном состоянии, при котором скорость притока вещества и энергии соответствует скорости оттока. Для живой материи характерно усложнение организации: синтез больших молекул, молекулярных комплексов, клеток и многоклеточных организ-мов — это мощные антиэнтропийные факторы. Следовательно, усложнение живых организмов в процессе эволюции определяется законами термодинамики нерав-новесных процессов.
Функционирование экосистем определяется кооперативными взаимоотно-шениями между организмами. Отклонения от требований, предъявляемых систе-мой, выбраковываются естественным отбором и борьбой за существование. Из-менение условий инициирует самоорганизацию генома.
Таким образом, в эволюции живой и неживой материи прослеживается общая закономерность: сложным формам предшествуют менее сложные. Химиче-ские элементы образовались после появления протонов, нейтронов и электронов, сложные молекулы не могли сформироваться раньше химических элементов, эв-кариотам предшествовали прокариоты, многоклеточным формам жизни — одно-клеточные, амфибиям — рыбы, рептилиям — амфибии и т.д. Следовательно, «раз-решающими» условиями для появления более сложных форм материи, служит предшествующее им образование менее сложных. «Старое» способствует возник-новению «нового», «новое» изменяет условия, в которых существование «старо-го» становится затрудненным, и оно либо гибнет, либо уходит с авансцены, либо преобразуется. Эволюция осуществляется дискретно по эстафетному принципу. При этом сходные или одинаковые формы материи, в том числе и живой, возни-кают везде, где есть «разрешающие» условия, которые создаются самой материей и являются ее частью. Путь создания живого — единственный во Вселенной, как и путь построения протонов, нейтронов, атомов водорода, гелия и остальных ато-мов.
И наконец, последний вывод из существования этой иерархии: формирова-ние жизни — естественный этап развития материи, поэтому Землю нельзя считать единственным обитаемым космическим телом.
Современная картина мира, в основу которой положены необра-тимые процессы, существование обратных связей и нелинейность, дает воз-можность выработать логически целостный подход к пониманию механиз-мов эволюции живой и неживой материи. Живые организмы и неживая при-рода подчиняются одним и тем же концептуальным законам физики и химии.
Рассмотрим сначала в общих чертах эволюцию ранней Вселенной. Под этим обычно понимается эпоха, соответствующая возрасту от 10 в -43-й степе-ни секунды до 3 минут от начала истории. Согласно общепризнанной теории Большого Взрыва, рождение классического пространства — времени произошло из сингулярности, причем в момент рождения Вселенной плотность и темпера-тура вещества достигали планковских значений 10 в 93-й степени г/см3 и 1,3∙10 в 32-й степени К соответственно. С момента Большого Взрыва Вселенная непрерывно расширяется, температура вещества понижается, а объем растет. Через 10 в -42-й степени секунды начинается инфляционная стадия, характеризующаяся пре-дельно сильным отрицательным давлением, когда силы «натяжения» препятст-вуют растяжению вещества, и оно выступает как источник сил отталкивания, а не обычного гравитационного притяжения. Затем через ничтожную долю секун-ды (10 в -36-й степени с) из-за неустойчивости вещества с отрицательным давле-нием эта фаза развития Вселенной закончилась, и родилась обычная материя. Од-нако в таких условиях не могли существовать не только молекулы или атомы, но и атомные ядра. «Разрешенным» оказалось существование лишь некоторой смеси разных элементарных частиц, включая фотоны и нейтрино. Поскольку расширение Вселенной, особенно в начале, шло с большой скоростью, высокая плотность и температура могли существовать только очень короткое время. По-следовательность дальнейших превращений примерно такова. Барионный избы-ток появляется через время 10 в -35-й степени с при температуре примерно 10 в 29-й степени К; электрослабый фазовый переход происходит через 10 в -10-й сте-пени с при температуре примерно 10 в 17-й — 10 в 16-й степени К. При этом элек-тронно-кварковый бульон существовал всего 10 в -25-й — 10 в -15-й степени с, а уже через 10 в -4-й степени с после Большого Взрыва завершается конфайнмент кварков. Через время примерно 0,01 с во Вселенной уже «разрешено» существо-вание фотонов, электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино и небольшого числа нуклонов. Процесс нуклеосинтеза начинается при 1 млрд. градусов. В ре-зультате последующих превращений (за время примерно 1–200 с) происходит первичный нуклеосинтез — получается смесь легких ядер (по-видимому, две тре-ти водорода и одна треть гелия), остальные химические элементы формируются из них намного позднее (через миллион лет) в недрах звезд. Не касаясь более де-тально этого бурного периода эволюции Вселенной, включая важнейший про-цесс превращения излучения в вещество, заметим, что расширение Вселенной сопровождается ее непрерывным усложнением. Это наблюдается и далее, в су-ществующем уже много миллиардов лет «рутинном» (по А. Н. Васильеву) процес-се расширения Мира, в котором сформировались обычные галактики, квазары, а также крупномасштабные структуры Вселенной в виде скоплений и сверхскоп-лений галактик.
Таким образом, расширяющейся Вселенной свойственна неравно-весность и связанные с ней усложнение и возможная необратимость. Это спо-собствует неравновесности и необратимости многочисленных процессов в природе, включая жизнь. Неравновесность и необратимость могут быть источниками порядка, согласованности и повышения уровня организации.
К настоящему времени накопилось много данных о самоорганизующихся неравновесных системах различных уровней сложности, начиная от самооргани-зации, происходящей в неорганических химических системах, где участвующие молекулы просты до морфогенеза сложных живых систем. Например, возникно-вение химических часов — химических реакций с согласованным периодическим изменением концентрации реагентов. В случае химических часов все молекулы изменяют свое химическое тождество одновременно, через правильные проме-жутки времени. Такого типа связь широко распространена в живых системах.
При «разрешающих» условиях олигомерные белки, например, гемоглобин и аллостерические ферменты обнаруживают способность к самосборке. При этом выявляется высокая специфичность взаимодействующих субъединиц. Ге-моглобин и альдолаза в смеси сохраняют молекулярную идентичность, даже смесь натцвных гемоглобинов, выделенных из двух видов млекопитающих, не образует гибридных молекул. Информация о структурной организации полипептидов со-держится в аминокислотной последовательности и может сохраняться даже при денатурации. Изменение условий, например, подкисление раствора альдолазы приводит к ее диссоциации на неактивные субъединицы. Если затем постепенно довести рН раствора до 7.0, то субъединицы самопроизвольно восстанавливают свою нативную конфирмацию.
Самоорганизация распространяется и на системы более высокого порядка, так формируются мультиферментные комплексы, происходит самосборка мем-бранных структур, рибосом, вируса табачной мозаики. При изучении морфогене-за бактериофага Т4 удалось наблюдать процессы формирования сложной трех-мерной структуры на основе «одномерной» информации, содержащейся в ами-нокислотных последовательностях белковых субъединиц. Самоорганизация морфогенеза более сложных структур контролируется специальными морфогена-ми.
В состояниях, далеких от равновесия, происходят и другие спонтанные перераспределения материи. В неравновесных системах универсальный способ передачи энергии от одной химической реакции к другой осуществляется путем сопряжения этих реакций через общий промежуточный продукт; именно таким образом происходит перенос энергии почти во всех обменных реакциях в живых клетках. «Разрешающим» условием для прохождения процесса самоорганизации является существование каталитических эффектов, а также существование с само-го начала или возникновение в процессе реакции системы обратных связей — положительных и отрицательных. Ускорение или замедление химических реак-ций может осуществляться одним из ее продуктов. Такие явления называют авто-каталитическими и автоингибирующими процессами. В неорганической химик эти процессы встречаются редко, но как показали исследования молекулярной биологии, они составляют основу жизни. Именно такие процессы позволяют понять, каким об-разом совершается переход от небольших цепочек нуклеиновых кислот к сложным организмам. Кросс-катализ (каждое из двух веществ, принадлежащих различным це-пям реакции, катализирует синтез другого) лежит в основе механизма согласованных метаболических функций в клетке. Например, взаимосвязь между нуклеиновыми кислотами и протеинами. Нуклеиновые кислоты содержат информацию, необходи-мую для синтеза протеинов, а протеины, в свою очередь, синтезируют нуклеиновые кислоты.
Можно привести множество примеров самоорганизации в окружающем нас мире. Это и образование причудливых по форме и структуре облаков, и специфиче-ские структуры вихрей, торнадо, циклонов, а также узоров, которые рисует мороз на стекле и т.п. Процессы самоорганизации сопровождают формирование новых фаз вещества при плавлении и кристаллизации. Очень характерны в этом отношении и специфические структуры, возникающие на поверхности самых различных мате-риалов под воздействием интенсивного лазерного излучения.
Живая клетка — открытая неравновесная система, находящаяся в стацио-нарном состоянии, при котором скорость «притока» вещества и энергии соответст-вует скорости «оттока». Стационарному состоянию неравновесной системы (в усло-виях, препятствующих достижению равновесного состояния) соответствует стрем-ление к минимальному производству энтропии. Для живой материи характерно усложнение организации: синтез больших молекул, молекулярных комплексов, кле-ток и многоклеточных организмов — это мощные антиэнтропийные факторы. Таким образом, живой организм — это наиболее упорядоченное состояние открытой неравновесной, находящейся в стационарном состоянии системы, для которой характерна минимальная скорость возрастания энтропии. Сле-довательно, усложнение живых организмов в процессе эволюции определяется законами термодинамики неравновесных процессов и самоорганиза-ции. Если к оценке живого подходить с позиции физики неравновесных процессов, то жизнь укладывается в рамки естественного подхода и может быть опре-делена как высшее проявление, происходящих в природе процессов самоорга-низации. Ископаемые формы жизни, обнаруженные на ранней Земле (800 млн. лет назад), могут служить серьезным аргументом в пользу идей о спонтанной само-организации живого в «разрешающих» условиях.
Различные количественные сочетания протонов, нейтронов и электронов со-провождаются качественным изменениям и дают начало различным атомам. После-дующая форма организации материи — химический элемент, это совокупность ато-мов с одинаковым зарядом атомных ядер и одинаковым числом электронов в ядер-ной оболочке.
В эволюционном ряду элементарные частицы — атомы, химические элементы — молекулы, очень сильно возрастает число форм и возможных состояний материи. Формирование молекул из атомов, также как и формирование атомов из элементар-ных частиц происходит под влиянием сил взаимодействия и осуществляется толь-ко при определенных условиях, «разрешающих» пройти процессу, детерминированному природой этих форм материи. Так, например, условия, при которых возможен синтез ядер гелия из водорода — протоно-протонный цикл ядерных ре-акций, реализуется в настоящее время в центральной части Солнца, где темпера-тура достигает 10–13 млн. К. Другой цикл — азотно-углеродный требует темпера-тур порядка 20 млн. К.
Хорошо известно, что в зависимости от давления и температуры одни и те же химические элементы могут находиться в различных состояниях. Так, азот при обычных условиях газ, при -147° С -жидкость; кислород при обычных усло-виях газ, при -182.9° С — жидкость, при -218.7° С образует кристаллы.
Таким образом, появление новых форм и состояний материи опре-деляется изначально присущими материи определенными свойствами, де-терминирующими ее последующие превращения, наличием взаимодействий между различными формами материи, появлением новых качеств у вновь сформировавшихся форм материи и условиями, «разрешающими» прохож-дению процессов эволюции. Начальные условия и процессы эволюции не могут быть независимыми. Именно начальные условия определили наличие на Земле химических элементов (около 22), «пригодных» для построения биомолекул, массу, плотность и орбиту вращения планеты вокруг Солнца. Эти особенности, «разрешившие» формирование жизни, являются важней-шим отличием Земли от других планет Солнечной системы, начальные ус-ловия на которых неблагоприятны для появления жизни.
Можно выстроить хронологию возникновения различных биохимических явлений на Земле. Примерно, она будет выглядеть так:



На ранней Земле органические соединения возникали из неорганических компонентов за счет энергии ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов и тепловой энергии. Этот ранний период, длившийся около 1 млрд. лет, принято называть периодом химической эволюции. В это время условия, существовавшие на Земле, «разрешали» прохождение абиотического синтеза аминокислот, жир-ных кислот, пуринов, пиримидинов, углеводородов.
Эти данные позволяют предположить, что среди органических молекул, которые находились на ранней Земле, присутствовали молекулы, которые послу-жили строительными блоками для живых систем. Особенно важны для понима-ния эволюции живой материи на Земле находки в древнейших осадочных фор-мациях (3.5–3.4 млрд. лет) строматолитов, представляющих собой результат жиз-недеятельности прокариотного сообщества. Это указывает на одновременное по-явление в «разрешающих» условиях не одного организма, а целой экосистемы. Гипотеза об изначальном появлении не одного, а многих видов живых организ-мов, была достаточно хорошо обоснована задолго до палеонтологических нахо-док.
Начальным типом питания считают анаэробное брожение с субстратным фосфорилированием, использование неорганических доноров электрона, ана-эробный фотосинтез (пурпурные и зеленые бактерии) и, наконец, аэробный фо-тосинтез с удалением кислорода, который резко меняет окислительную обстанов-ку на Земле и создает необходимые условия для появления эукариот. Сложные эу-кариотные клетки, используя кислород, значительно увеличили производство энергии. Это было важным этапом в формировании многоклеточности. Таким образом, возникновению многоклеточности предшествовало появление кислоро-да в атмосфере Земли. Анаэробный организм не может быть слишком крупным из-за диффузных ограничений, так как и донор, и акцептор электрона поступают к нему в растворенном виде.
Накопление кислорода в атмосфере в результате фотосинтеза шло медлен-но, концентрация кислорода в атмосфере достигла 1% его содержания в совре-менной атмосфере примерно 0,6–1 млрд. лет назад, а 10% не ранее, чем 0,4 млрд. лет назад. Поэтому самые ранние находки ископаемых остатков основных круп-ных таксонов современных животных сделаны в Кембрийских отложениях (воз-раст 540 млн. лет).
В сообществе разнородных организмов на первый план выходят коопера-тивные взаимоотношения, в которых определяющим существованием объекта оказывается его соответствие системе. Таким образом, экосистема является мощ-ным двигателем развития, именно она предопределяет свойства объекта, входя-щего в нее. Г. Заварзин (2000) считает возможным поставить знак равенства меж-ду биогеохимической сукцессией и эволюцией биосферы.
Соответствие системе — непременное условие существования ин-дивидуума. Отклонения от требований, предъявляемых системой, «выбра-ковываются» мощными помехоустойчивыми факторами — естественным отбором и борьбой за существование.
Анализ морфофункциональной организации генома указывает на способ-ность его активно реагировать на изменения условий. К механизмам, на базе ко-торых осуществляются эти процессы, можно отнести следующие:
• Эпигенетическая изменчивость — способность клетки целенаправленно переключаться с одной наследственной про граммы функциониро-вания на другую, в зависимости от метаболической ситуации.
• Наличие в клетке сложной системы контроля над нарушениями структуры и функции ДНК, осуществляющейся на уровне репликации, транскрип-ции и трансляции. Все неточности и неисправности ДНК подвергаются репарации, если же ошибку не удается исправить, запускается система клеточной смерти. Этот механизм помехоустойчивости защищает геном от случайных, изменений и гаран-тирует биологическому объекту его соответствие экосистеме.
• Способность генетических элементов к мультипликации внутри ге-нома, что ведет к качественному изменению последнего.
• Амплификационные перестройки генома связаны с умножением числа копий гена, при этом ген амплифицируется не один, а в составе сегментов хромо-сомы, иногда эти участки достигают миллионов оснований ДШС. Амплифициро-ванные участки могут оставаться в исходной хромосоме или образовывать мини-хромосомы и внеядерные цитоплазматические плазмиды. Внеядреные амплифици-рованные фрагменты могут вторично встраиваться в исходные или другие хромосо-мы.
• Мобильные генетические элементы (МГЭ), создающие новые конст-рукции, которые ведут к реорганизации генома и играют особую роль в эволюции, влияя на разнообразие организмов.
• Горизонтальный перенос генов — трансдукция, широко используется в генной инженерии, в естественных условиях ведет к преобразованию генома.
• Наличие одинаковых генов у далеко отстоящих в систематическом отношении организмов.
• Модульный принцип устройства генома, позволяющий быстро осу-ществлять построение новых конструкций, создающих огромные возможности для регуляции генных ансамблей.
Функционирующий геном представляет собой комплекс матричных систем, в которых поток информации идет в двух направлениях: от нуклеиновых кислот к бел-кам и от белков к нуклеиновым кислотам. Изменение условий инициирует самоорга-низацию генома. Эти процессы невозможно отнести к случайным событиям. Ни один наблюдаемый процесс не может быть объяснен случайными событиями. Невозможно формулировать законы и делать обобщения о характере процесса или проверить его экспериментально, признавая возможность чистой случай-ности. Случайное событие и статистически случайное событие — два совершен-но разных понятия. В природе не существует какого-то особого механизма эволюции для живой материи. Живая материя так же, как и неживая, принимает форму «разрешенную» условиями. Так, радиальная форма кроны больших расте-ний с вертикальным стволом «разрешается» гравитацией, а торпедовидная форма тела активно подвижных водных организмов — плотностью среды.
Со временем уровень организации Вселенной неуклонно повышается. В эволюционных процессах живой и неживой материи прослеживается общая за-кономерность: сложным формам предшествуют менее сложные. Так, химическим элементам предшествует появление протонов, нейтронов и электронов, сложные мо-лекулы не могут сформироваться раньше химических элементов, эукариотам пред-шествуют прокариоты, многоклеточным формам жизни — одноклеточные, амфибиям — рыбы, рептилиям — амфибии и т.д. Появление гелия становится возможным в раз-личных областях Вселенной только после появления водорода, а эволюция млекопи-тающих могла начаться только после появления амфибий и рептилий. Формирование форм материи, служит предшествующее им образование менее сложных. «Старое» способствует возникновению «нового», «новое» изменяет условия, в которых суще-ствование «старого» становится затрудненным и оно либо гибнет, либо уходит с авансцены. Анаэробы способствовали появлению фотосинтезирующих сине-зеленых водорослей, благодаря метаболизму которых в атмосфере появился свобод-ный кислород. Присутствие свободного кислорода в атмосфере способствовало раз-витию сложных эукариотических организмов-аэробов. Анаэробы были вынуждены уйти в ниши, где свободный кислород отсутствует, уступив место аэробам. Эво-люция осуществляется дискретно по «эстафетному» принципу. При этом появление сходных или одинаковых форм материи, в том числе и живой, происходит независимо везде, где имеются «разрешающие» условия.
В первой половине двадцатого века была обнаружена независимая эволюция одинаковых тканей у членистоногих и позвоночных. Орган зрения — глаз возник не-зависимо у разных групп организмов: книдарий, разных типов червей, моллюсков, членистоногих и позвоночных. Убедительные доказательства независимого форми-рования одинакового скелета можно проследить на примере строения раковин у про-стейших — фораминифер (Foraminifera) и головоногих моллюсков (Nautiloida), у двух-створчатых моллюсков (Bivalvia) и ракушечковых рачков (Ostracoda). Ряд не родст-венных между собой групп организмов независимо достиг артроподного уровня ор-ганизации. Рептилийные признаки появились у разных групп амфибий асинхронно и независимо, формирование мамальных особенностей происходило различными темпами, независимо у различных групп териодонтов. Одинаковый набор типов листорасположения и листорассечения обнаружен у самых разных групп растений, от папоротников до высших покрытосемянных.
Путь создания живого — единственный во Вселенной, так же как и путь построения протонов, нейтронов, атомов водорода, гелия, углерода, ки-слорода. Формирование жизни — естественный этап развития материи, по-этому Землю нельзя считать единственным обитаемым космическим те-лом.

Библиография


Васильев А. Н. Эволюция Вселенной/Современное естествознание: Энциклопедия. Т. 4. Физика элементарных частиц. Астрофизика. М., 2000
Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. СПб., 2000
Гут А. Г., Стейнхард П. Д. Раздувающаяся Вселенная//В мире науки. 1984. № 7
Дуда В. И., Лебединский А. В., Кривенко В. В. Архибактерии в системе царств ор-ганического мира//Успехи микробиологии. 1985. Вып. 20
Еськов К. Ю. История Земли и жизни на ней. М., 2000
Жмур С. И., Розанов А. Ю., Горленко В. М. Следы древнейшей жизни в космиче-ских телах Солнечной системы//Природа. 1997. № 8
Заварзин Г. А. Фенотипическая систематика бактерий. М., 1974
Заварзин Г. А. Недарвиновская область эволюции//Вестник РАН. 2000. Т. 70. № 5
Кусакин О. Г., Дроздов А. Л. Филема органического мира. СПб., 1998. Ч. 2
Ленинджер А. Л. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функции клетки/Пер. с англ. Я. М. Варшавского. Под ред. акад. А. А. Баева. М., 1974
Мейн С. В. О соотношении номогенетического и тихогенетического аспектов эво-люции//Журнал обшей биологии. 1974. Т. 35. № 3
Новиков И. Д. Инфляционная модель ранней Вселенной//Вестник РАН. 2001. Т. 71. № 10
Опарин А. И. Происхождение жизни. М., 1924
Опарин А. И. Возникновение жизни на Земле. М., 1957
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986; М., 2003
Сажин М. В. Космология ранней Вселенной/Современное естествознание: Энциклопедия. Т. 4. Физика элементарных частиц. Астрофизика. М., 2000
Спирин А. С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни//Вестник РАН. 2001. Т. 71. №4
Татаринов Л. П. Морфологическая эволюция териодонтов и общие вопросы фило-генетики. М., 1976
Фолсом К. Е. Происхождение жизни: Маленький теплый водоем/Пер. с англ. Д. Б. Крипотина. М., 1982
Хокинг С. В. Краткая история времени от большого взрыва до черных дыр/Пер. с англ. Н. Смородинской. СПб., 2001
Холланд П., Гарсия-Фернандес Х. Гены НОХ, эволюция, развитие и происхожде-ние позвоночных//Онтогенез. 1996. Т. 27. № 4
Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических молекул. М., 1973
Эйген М., Шустер П. Гиперцикл. Принципы самоорганизации молекул. М., 1982
Cavalier-Smith T. The phagotrophic origin of eukaryotes and phylogenetic classification of Protozoa//Inter. J. System. Evol. Mic. 2002. V. 52
Chetverina H. V., Demidenko A. A., Ugarov V.I., Chetverin A. B. Spontaneous rearrangements in RNA sequences//FEBS Letters. 1999. V. 450
Hall J. B. Evolution of the Prokaryotes//J. Theoret. Biol. 1971. V. 30 Krylov M. V., Libenson M. N. Continuum of evolutionary processes of living and nonliving matter//Proc. Zool. Inst. Russ. Acad. Sci. 2002. V. 296
Manton S. M. The Arthropoda habits functional morphology and evolution. Oxford, 1977
Zawarzin A. A. Der Parallelismus der Strukturen als ein Grundprinzip der Morphologie//Z. Wiss. Zoll. 1925. Bd 124.

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X