загрузка...

Возникновение биологической информации

  • 16.06.2010 / Просмотров: 7170
    //Тэги: Гордон   жизнь   эволюция  

    Для описания процессов, протекающих на ранних стадиях биологической эволюции, достаточно знания законов физики и химии открытых систем. По каким законам происходило дальнейшее ее развитие? Можно ли в рамках современной науки понять и описать процессы, лежащие в основе возникновения жизни? Почему в современной биосфере господствует один вариант генетического кода и отсутствуют другие? О возникновении жизни как борьбе условных информаций сегодня после полуночи физик Дмитрий Чернавский и биолог Нина Чернавская.

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


Александр Гордон. Доброй ночи! Феномен возник-
новения живого входит в явное и, я бы сказал, яркое
противоречие с теорией вероятности – не только фе-
номен возникновения, но и биологической эволюции.
Принято считать, что вероятность возникновения жиз-
ни приблизительно равна вероятности самосборки са-
мого современного «Боинга» из деталей, которые ва-
ляются на свалке. Но так ли неодолимы эти противо-
речия между теорией вероятности и возникшей всё-та-
ки жизнью?
Дмитрий Чернавский. Проблема возникновения
жизни волновала давно, и она состоит из нескольких
этапов. Каждый этап был в своё время проблематичен.
Первая проблема. Как возникли необходимые ор-
ганические молекулы? Эта проблема решена химика-
ми и физиками. Нужно представить себе обстановку в
предбиологический период. Обстановка была крайне,
так сказать, термодинамически неравновесной. Там
«беспрерывно гром гремел, во мраке молния сверка-
ла», вулканы извергались. Ну и в результате образова-
лись органические молекулы. Проблема решена была.
Вторая проблема. Образовались молекулы, но их
мало, а нужно, чтобы они были сконцентрированы. Вот
эту проблему фактически решил Опарин в 20-х годах
прошлого столетия. Он показал, что действительно ор-
ганические молекулы типа липидов и аминокислот мо-
гут собираться в капли. Он назвал это коацерватами.
И проблема была решена.
Третья проблема. Хорошо, аминокислоты собирают-
ся, нуклеотиды собираются, но в жизни-то полинуклео-
тиды – они длинные. Как они могли образовываться
сами в предбиологический период? Проблема решена
была Фоксом и Егами. Показано было, что могли они
образовываться, но, разумеется, случайные. И тут воз-
никла четвёртая проблема.
Проблема в следующем. Биологические полимеры
– они же не случайные. Они содержат информацию.
Напомню, что основными полимерами являются ДНК
или РНК – они хранители информации, в них последо-
вательность несёт эту информацию. А рабочими тела-
ми являются белки. Известно, что в современной био-
сфере нуклеотиды кодируют белки – ко-ди-ру-ют. Что
это значит? Это значит, что в соответствии с последо-
вательностью нуклеотидов образуется последователь-
ность белков, каждая тройка нуклеотидов – кодон – ко-
дирует или соответствует одной аминокислоте и полу-
чается, таким образом, заданная последовательность
белка. Затем она сворачивается и, в зависимости от
последовательности, получается тот или иной белок, с
той или иной функцией.
Какие белки должны быть, чтобы работали? Боль-
шие. Они должны содержать примерно 200 аминоки-
слот. Следовательно, полинуклеотид должен содер-
жать примерно 600 аминокислот – определённой по-
следовательности. Давайте посчитаем, а сколько во-
обще может быть вариантов последовательности?
Очень просто. Нуклеотидов всего четыре – 600 цепо-
чек. Соответственно, число вариантов – четыре в ше-
стисотой степени. Или два в тысяча двухсотой. Или
десять в четырехсотой степени. Вот это число, вы о
нём говорили, это число является круциальным. Веро-
ятность, что соберётся какой-то определённый поли-
нуклеотид – соответственно, единица, делённая на де-
сять в сороковой. Число попыток за всё время суще-
ствования Земли и во всех лужах – примерно десять в
тридцатой. Вот сравните. Десять в тридцатой и десять
в четырехсотой.
Александр Гордон. Явное противоречие, не может быть такого.
Дмитрий Чернавский. Просто помножим одно на другое, получим ве-
роятность десять в минус 360-ой. Это число абсурд-
но мало. Соответственно, и число вариантов тоже ма-
ло. Никогда столько вариантов мы не переберём. Даже
специальное название «гугол» введено.
Нужно сказать, что все остальные числа, которые
есть в физике, они существенно отличаются от этого.
Например, чисто атомов во всей Вселенной – порядка
десять в пятидесятой – в пятидесятой! Вот в этом суть
проблемы – десять в минус четырехсотой. Можно сде-
лать этот показатель вдвое меньше, всё равно абсурд.
Как к этому относятся? По-разному. Химики (не все
химики, естественно) считают, что можно собрать – они
умеют собрать – полинуклеотид в заданной последо-
вательности из трех, четырех, пяти. «Умеем из пяти,
соберём двести». То есть, это качественное различие
не осознаётся.
Математики: «Вероятность мала, ну и что? Жизнь
уникальна, событие одно. К одному событию вероят-
ность неприменима. Это случилось, живём, слава Бо-
гу, и…»
Биологи. Вот биологи чувствуют это. И приходят к
выводу: Бог создал жизнь. Может ли быть здесь реше-
ние этой проблемы? Вот об этом и пойдёт речь.
Сразу должен предупредить, что речь пойдёт о дис-
куссионной проблеме. Мы с Ниной Михайловной (она
сейчас, к сожалению, заболела, не смогла прийти) при-
мерно тридцать лет тому назад занялись этой про-
блемой. И она сейчас на том же месте. Я сразу дол-
жен предупредить, что обычно учёные говорят о том,
как «наука семимильными шагами движется вперёд»,
и это, естественно, так приятно. Но я буду говорить
о том, как наука семимильными шагами топчется на
месте. Но, тем не менее, решение возможно. Какое
это решение и как можно представить себе, что такое
«кодирует» и что такое «катализирует». Нужно заду-
маться, что такое «кодирует». В современной биосфе-
ре процесс кодирования хорошо изучен. Если можно,
первую схему.
Александр Гордон. Сейчас дадут.
Дмитрий Чернавский. Схема проста. В ней главное – последователь-
ность ДНК. С неё снимается реплика. Я уверен, что это
не раз обсуждалось у вас, поэтому я кратко очень ска-
жу. С неё снимается реплика, потом поступает транс-
портная РНК к системе адаптеров. Что такое адапте-
ры? Адаптеры – это самое интересное и важное место
здесь. Адаптеры, их всего 64, это белки, которые уме-
ют присоединять нужную кислоту к РНК, нагруженной
нужным кодоном. Адаптеры знают алфавит – код. Са-
ми они белки, сами они по той же схеме образуются.
Но вот после того как адаптеры нагрузили транс-
портную РНК, она подходит к рибосоме, к рибосоме же
подходят мессенжер РНК. И там происходит трансля-
ция, то есть по коду, последовательности нуклеотидов
собирается последовательность белка. Вот что значит
«кодирует». Приведу аналогию.
Вот завод. Как он работает? Нужно изготовить де-
таль. Есть чертёж, инструкция. В инструкции сказано,
причём, на определённом языке сказано, где нужно
дырочку просверлить, какую там форму сделать и так
далее, потом всё это реализуется и получается деталь.
Вот что такое «кодирует».
Говорят, что белки катализируют. Что такое «ката-
лизируют»? Это я лучше поясню чуть попозже, а пе-
ред этим давайте представим себе, как мог образо-
ваться самый простой живой организм. Что он дол-
жен содержать? Во-первых, последовательность ДНК.
Во-вторых, белок, который бы способствовал её реду-
пликации. Такой организм из двух всего компонентов
может размножаться, причём так, что последователь-
ность при этом сохраняется. И может – но вопрос: а как
белок действует? Это более-менее известно.
Белок (в данном случае, белок репликаза, тот са-
мый, который способствует редупликации) предста-
вляет собою нечто вроде подковы или чехла, который
обволакивает. Можно следующий слайд?
Вот здесь изображена простейшая схема простей-
шего организма или гиперцикла, как Ейген его назвал.
В этом гиперцикле содержатся четыре нуклеотида и
четыре белка. Нуклеотиды кодируют белки, а белки ка-
тализируют образование ДНК. В простейшем случае –
их всего два. Один кодирует, а другой катализирует, но
что катализирует? Репликацию катализирует. Следую-
щий слайд, если можно.
Как это можно себе представить? Вот здесь это схе-
матически изображено. Белок, он, как видите, как под-
кова. Он обволакивает ДНК. Затем, при изменении
температуры РНК или при гидролизе АТФ он немножко
деформируется, разрывает внутренние связи, и на эти
связи налипают комплементарные нуклеотиды: к аде-
нину присоединяется тимин, к гуанину – цитозин, и на-
оборот. Налипают в соответствии с определённым по-
рядком и получаются две последовательности. Важно,
что на самом деле сама последовательность – внутри
ДНК, внутри спирали, а внешняя сторона спирали – это
фосфатные группы, которые слабо отражают, но отра-
жают всё-таки. Вот как он катализирует.
А теперь представим себе: а может ли образовать-
ся в первичном белке репликаза без информации, по
принципу «катализирует», а не «кодирует»? Может.
Для этого допустим, вполне, так сказать, реалистично,
что аминокислоты сперва адсорбируются на ДНК. Не-
важно, в какой последовательности, пусть образова-
лась случайная последовательность. Эта вероятность
случайной последовательности – единица. Они нали-
пают, так сказать, на это, образуют подкову. И после
этого происходит замыкание связи, то есть уже обра-
зование полипептида. Такой слепок уже может обла-
дать каталитическими свойствами. Как он образуется,
по какому принципу? По принципу кодирования? Нет.
Он образовывался по принципу гетерогенного катали-
за. То есть, форма была главной здесь. Форма ДНК.
Александр Гордон. При этом не важно, какую информацию она
несёт и отличается ли эта информация от шума.
Дмитрий Чернавский. Да, была ли информация неценной.
Вот здесь немножко отступить хотелось бы и ска-
зать, что проблема на самом деле – информационная.
Под информацией я буду понимать далее по Кастле-
ру «запомненный выбор одного варианта из несколь-
ких». Под ценной информацией – тот выбор, ту по-
следовательность, которая способствует образованию
белка, достижению цели. Ну а количество информации
по Шеннону – это логарифм того самого числа, о кото-
ром мы говорили, числа вариантов.
По существу, вот с той самой проблемой – почему
цифра так мала, – здесь можно провести аналогию с
языком. Проблема та же. Например, можно задать во-
прос: а как люди догадались, что есть алфавит и стали
писать друг другу письма? Если варианты посчитаем,
как расставить буквы, чтобы смысл получился, то даже
в коротком письме: «Я вам пишу, чего же боле» полу-
чим те же самые величины. Десять в минус трехсотой.
Так что здесь аналогия вполне прослеживается.
Александр Гордон. Вначале был не алфавит, а слово. Тогда появле-
ние алфавита становится понятным.
Дмитрий Чернавский. И здесь вопрос: а как появился всё-таки ада-
птер? Утверждение состоит в том, что адаптеры тоже
могли появиться по принципу слепка. Но слепка уже не
окружающего, а, так сказать, слепка со щели, где од-
на сторона чувствует детали структуры, где уже после-
довательность важна, а другая сторона чувствует нуж-
ную аминокислоту. Можно показать, что такое образо-
вание сильно ускорялось, упрощалось и так далее, и
так далее. Тому есть сейчас просто эксперименталь-
ное основание, показано, что двойная спираль иногда
тройной может быть и так далее. Я опускаю сейчас это.
Важно вот что. Адаптеры тоже работают по принципу
слепка. Здесь тоже можно провести аналогию с про-
изводством. Вот я сказал, как по инструкции делается.
Там, в инструкции, информации много, и нужно знать
язык. А можно сказать: «Вот вам деталь, бросьте её в
глину, глина засохнет, получится слепок». А слепок –
это уже штамп. Дальше штампуйте эту деталь.
Александр Гордон. Вот вам деталь, сделайте такую же.
Дмитрий Чернавский. И деталь будет такая же.
После того как образовались адаптеры, здесь уже и
возникла информация, возник алфавит. Можно следу-
ющий слайд.
Вот здесь изображён первичный цикл. Здесь глав-
ную роль играет не последовательность ДНК, а её фор-
ма. Главную роль играет не последовательность, а
форма белка, которая тут же образуется, минуя ста-
дию информационного кодирования. После того как
образовались адаптеры, если они образовались, воз-
никает промежуточная схема.
Вот эта схема промежуточная. В ней могут идти про-
цессы и по первому, и по второму образцу – парал-
лельно. И это очень важно, потому что в эволюции
всё должно быть последовательно. Нельзя сразу но-
вое что-то такое предлагать, забыв про старое. Должен
быть какой-то период, где и новое, и старое последо-
вательно работают. И если отказала новая схема, ра-
ботает старая. Вот таков эволюционный механизм.
Опять же приведу аналогию с языком. Я не специ-
алист, поэтому могу здесь быть неточен. Но мне ка-
жется, что здесь аналогия есть. Вопрос вот какой: как
возник алфавит? До алфавита была иероглифическая
или пиктографическая письменность. Просто люди по-
сылали друг другу рисунки. А рисунок можно понять, не
зная алфавита. Он сразу воспринимается. Рисунок –
это как бы слепок с объекта. Затем постепенно при уве-
личении объектов, при развитии цивилизации рисунки
уже перестали удовлетворять. Потому что, хорошо об-
щаться с рисунками, когда объектов 10, 20, 30, 100. А
когда их десятки тысяч, как сейчас слов, то не приду-
маешь же десятка тысяч рисунков. И тогда иероглифы
постепенно стали как бы частью объекта, упростились
и постепенно превратились в буквы. То же самое и в
биологии. Вот эти адаптеры, они сперва были как бы
осколками чехла. Но постепенно эти осколки сами по
себе уже перестали играть роль, а превратились как
бы в буквы, как бы в алфавит – вот такая схема была
предложена.
Спрашивается, а можно ли её подтвердить или
опровергнуть экспериментально? Можно. Было пред-
ложено провести эксперимент, он вполне реален. Два
или три раза было предложено, с Фоксом договори-
лись, но Фокс скончался. Договорились здесь с од-
ной лабораторией, с Отрощенко. Кончились реакти-
вы… Так что, то, что я говорю, является пока гипоте-
зой. Это я должен подчеркнуть.
Александр Гордон. А в чём заключаются эти эксперименты, кото-
рые вы хотели провести?
Дмитрий Чернавский. Для этого нужно провести эксперименты Фок-
са, но в определённой последовательности, а именно:
Фокс проводил эксперименты отдельно – поликонден-
сация нуклеотидов и поликонденсация белков. А здесь
нужно сперва найти условия, при которых аминокисло-
ты сами адсорбируются на ДНК или РНК – на ДНК луч-
ше. Как они адсорбируются? Безусловно, можно най-
ти условия, когда образуется вот такой адсорбат-че-
хол. После этого нужно взять те самые реактивы, ко-
торые Фокс использовал, и провести образование свя-
зей. Это тоже вполне возможно. А дальше посмотреть,
обладает ли такой искусственный белок репликазной
активностью, особенно если его в периодических усло-
виях делать.
Вот этот эксперимент непростой, сложный. Дорогой
эксперимент, но вполне реальный. Ну, будет он про-
ведён или нет, не знаю. Надеюсь. Вопрос, почему не
хватило денег, я опускаю.
Александр Гордон. Это да, это можно опустить.
Дмитрий Чернавский. Почему кончились реактивы – это я тоже опус-
каю.
Но вот здесь встаёт вторая проблема, вот какая. Хо-
рошо, мы поняли, как образуется код. Адаптеры – это
уже есть код. Но тогда встаёт вот какая проблема. В
современной биосфере – единый код. Образно выра-
жаясь, всё живое говорит на одном алфавите, на од-
ном языке. Исключения есть, но очень редкие и, так
сказать, атавистические: в митохондриях, в хлоропла-
стах. Это органеллы, которые раньше были самостоя-
тельными организмами, потом внедрились и так живут.
Так что есть исключения.
Почему код единый? Ответов несколько. Один от-
вет – и, я думаю, он прозвучит у вас из уст Ягужин-
ского, возможно, такой: данный код – самый лучший
в каком-то смысле. И он был отобран, а в результате
все остальные исчезли. Другой ответ, наш ответ: в той
схеме, о которой я рассказал, последовательность не
важна и мог образоваться любой код. На самом деле,
некоторые преимущества, конечно, могут быть, и они
есть. Но они не столь велики и не столь сильны, чтобы
выделить один код. А наш ответ – вот какой. Один код
образовался не потому что он наилучший, а потому что
организмы, обладающие разными кодами, взаимодей-
ствовали друг с другом антагонистически.
Что такое взаимодействие в биологии? В биологии
всё просто. Взаимодействуют, значит, кушают друг дру-
га. Представьте себе, два организма или две популя-
ции смешались, а у них коды разные, адаптеры раз-
ные. Смешалось всё, и биосинтез белка перестал быть
однозначным. То один белок, то другой, адаптер то та-
кой, то такой… Это гибель. Поэтому при встрече, при
взаимодействии двух особей с разными кодами…
Александр Гордон. То есть двух особей, которые несут разную ин-
формацию в себе?
Дмитрий Чернавский. Да, да – при таком взаимодействии обе погиба-
ют. Один – потому что его съели, а другой – потому что
скушал яд. Вот это обстоятельство – антагонизм услов-
ных информаций – в данном случае имеет совершенно
простую биологическую подоплёку. Кстати, такую же,
как и при образовании биологической асимметрии, о
которой здесь говорил Аветисов. Да, асимметричные
молекулы – это часто яд.
Но для того, чтобы ответить точно на этот вопрос,
нужно, конечно, построить математическую модель,
что и было сделано, и показать, каковы свойства у этой
модели. Но этот вопрос – какова здесь математическая
модель может быть – заслуживает специального обсу-
ждения, и я надеюсь, что мы его проведём.
Александр Гордон. Да, мы вынесем его за рамки этой программы,
по крайней мере.
Дмитрий Чернавский. Сейчас могу сказать, что с учётом этого обсто-
ятельства образуется чистое состояние. То есть, один
вариант побеждает все остальные, даже если он ни-
чем не выделен.
Александр Гордон. Просто, потому что больше его.
Дмитрий Чернавский. Если его чуть-чуть больше, если он чем-то вы-
делен, то эта выделенность вовсе не является гаран-
том, что он победит. Случай здесь управляет. Даже
если они равны, всё равно побеждает один. Мы с Ни-
ной Михайловной называем это «принцип Оруэлла».
Ну, вы знаете, что «all animal are equal but some of them
are more equal than others». Все равны, но…
Александр Гордон. Все животные равны, но среди них есть такие,
которые равнее других.
Дмитрий Чернавский. При таких условиях оказывается, что один бо-
лее равный, чем другие.
Александр Гордон. То есть не отбор, а выбор.
Дмитрий Чернавский. Не отбор, а выбор. И это очень важно. При от-
боре не рождается новая информация. Отбор отбира-
ет то, что уже было где-то заложено. Случайный вы-
бор, по Кастеру, – это процесс генерации информации.
Таким образом, во всех развивающихся системах, где
накапливается, увеличивается информация (и в био-
логии тоже) не меньшую роль играет выбор, чем отбор.
Александр Гордон. Тут пора перейти, наверное, к эволюции. Ка-
кую коррекцию это вносит в биологическую эволюцию,
ведь сам факт существования биологической эволю-
ции тоже в какой-то мере противоречит теории вероят-
ности, потому что уж очень быстро она развивается с
точки зрения вероятности.
Дмитрий Чернавский. Вы правы. Это второй вопрос. Да, действитель-
но быстро. Как решить этот вопрос? Мы с Ниной Ми-
хайловной тоже этим занимались. И некоторое реше-
ние предлагаем. В данном случае, я бы не сказал, что
оно какое-нибудь дискуссионное, я думаю, что оно уже
во многих местах принимается и независимо. Часто
ведь независимо предлагают одно и то же. Тут уже нуж-
но решать вопрос, принимая во внимание, что образо-
вался единый код.
Александр Гордон. Путём выбора.
Дмитрий Чернавский. Да, путём выбора. Как дальше идёт? Дальше
вот как. Пример. Вот наши древние предки жили в вос-
становительной атмосфере и питались друг другом, а
так же тем, что накоплено в добиологический пери-
од. И все съели. Началась продовольственная пробле-
ма. Как она была решена? Причём это энергетическая
проблема одновременно. Энергия-то ведь тоже нужна.
Раньше гликолиз давал энергию. И тут освоили энер-
гию Солнца – появились фотосинтетики. Спрашивает-
ся, сколько нужно белков для того, чтобы аппарат за-
работал? Оказывается, несколько. С какими функция-
ми? С совсем новыми. И опять считаем: а какова веро-
ятность, что случайно появились такие геномы, такие
белки?
Александр Гордон. В результате точечных мутаций.
Дмитрий Чернавский. За счёт точечных мутаций. И приходим к той
же самой цифре. Ну, не к той же, но, всё равно, к аб-
сурдно малой. Как решается эта проблема? Точнее,
как можно решить? Посмотрим на эволюцию техники.
Она же тоже очень быстро шла. Спрашивается, как она
развивалась? Если она развивалась за счёт точечных
мутаций… Точечная мутация – это значит, что всё но-
вое появилось сразу заново. Другой вариант: сохраня-
лась прежняя информация, сохранялись детали, а но-
вое было только в соединении деталей. Иными сло-
вами, если провести аналогию с техникой, то приро-
да изобретала не сплошь новую машину, а изобретала
новую машину из старых деталей.
Александр Гордон. То есть, грубо говоря, для того чтобы изобрести
велосипед с мотором, не надо заново изобретать вело-
сипед. Достаточно к существующему велосипеду при-
делать мотор.
Дмитрий Чернавский. Именно.
Александр Гордон. И получится качественно новое соединение.
Дмитрий Чернавский. И получится мотоцикл. Но для того, чтобы это
действительно имело место, чтобы реализовалось,
нужно, чтобы в клетке была богатая библиотека ста-
рых деталей. Архив деталей.
Александр Гордон. Чертежей.
Дмитрий Чернавский. В данном случае это участки генома. Есть ли
они в клетках? Оказалось, есть. Оказалось, что 90,
а иногда 99 процентов генома не участвует в жизни
клетки вообще. Но зачем-то этот груз тянется. На это
обратил внимание Кимура, назвал такую теорию «ней-
тралистской». То есть, нейтральная информация нака-
пливается и не исчезает.
Но тут возникло противоречие с дарвинизмом. На
мой взгляд, совершенно необоснованное. Потому что
это не Дарвин, а эпигоны Дарвина. Там было вот что.
Если информация не нужна, она исчезает, потому что
зачем груз нести – это невыгодно. Кимура возражал:
может, и не выгодно нести, но на всякий случай, про
запас – выгодно. Так вот, когда возникли энергетиче-
ские трудности и появилась необходимость фотосин-
тетического аппарата, то старые детали были исполь-
зованы, и тогда вероятность того, что новая машина
возникла из старых деталей, будет десять в минус де-
сятой. По сравнению с числом попыток, это вполне ре-
альные вещи.
Александр Гордон. То есть получается такой детский конструктор.
Дмитрий Чернавский. Да, получается как бы конструктор, из которого
можно слепить много чего.
Второй этап – это вот что. Возникла экологическая
катастрофа. Фотосинтетики стали выделять кислород,
а для наших предков, которые гликолиз использовали,
кислород был ядом. Ну, всё отравлено. Экологическая
катастрофа. Как вышли? Появились дышащие, кото-
рые кислород использовали для сжигания. Гораздо бо-
лее эффективно получилось. Потом были другие. Ещё
несколько этапов ароморфоза, в которых использова-
лась та же самая парадигма: из старых деталей – но-
вые конструкции. В биологии это называется аромор-
фозы.
Так что, с нашей точки зрения, это проблема сейчас,
я думаю, решена. Все ли согласятся? Думаю, что здесь
возражать не будут. Нужны ли здесь эксперименты?
Нужны и очень нужны. Они делаются и сделаны уже.
А именно: эксперименты по анализу молчащей инфор-
мации, вот той самой нейтральной. А что всё-таки в
ней содержится и содержалось? Действительно ли там
есть что-то ценное? Эти эксперименты идут и незави-
симо от нас. Это сейчас, так сказать, широкое русло, –
математическая генетика, где гомологию исследуют и
смотрят, что из чего произошло. Так что, в этом смы-
сле, я думаю, что и эта проблема решена.
Какие проблемы не решены? А вот как раз, о чём я
говорил, проблемы вытеснения одним – всех других. Я
думаю, что это даже не проблема, просто интересные
очень эффекты выявляются. Особенно, если учесть,
что возникает этот процесс борьбы условных инфор-
маций в пространстве. Я повторю, мы с Ниной Михай-
ловной эту модель сделали уж лет 30 тому назад. И
так и применяли к тому, о чём шла речь. Сейчас уже
ясно, что эта же модель может найти очень широкое
применение в самых разных областях: распростране-
ние языков, борьба цивилизаций. Недавно один из на-
ших применил это даже к истории. И описал возникно-
вение государств из мелких княжеств, всю историю…
Александр Гордон. С помощью это модели.
Дмитрий Чернавский. Да, с помощью этой модели, но это уже совсем,
совсем другая тема.
Александр Гордон. Но прежде чем переходить к совсем, совсем
другой теме (и, может быть, совсем, совсем к другой
передаче), поговорим всё-таки о языках. Получается,
что, следуя этой модели, недостаточно просто време-
ни прошло на земле для того, чтобы всё человечество
говорило на одном языке. Ведь если эта модель верна,
то, так или иначе, произойдёт поглощение и вытесне-
ние. Не отбор, а выбор одного – единого – языка, на
котором будет говорить всё человечество в будущем.
Возможно просчитать (зная эволюционные ритмы, эво-
люционные темпы в развитии современных языков),
когда это может произойти? Учитывая эту модель.
Дмитрий Чернавский. Александр, вы затронули настолько больную
тему…
Александр Гордон. Извините.
Дмитрий Чернавский. Но я вам отвечу честно. Мы пытаемся это
сделать. Мы столкнулись с одной очень интересной
особенностью. Оказывается, в развитии этой модели
есть неустойчивости, которые не позволяют однознач-
но предсказать, какой именно язык победит – это в
принципе невозможно. Так это из модели следует. Тем-
пы посчитать можно. Пытаемся считать.
Александр Гордон. И что получается?
Дмитрий Чернавский. Получается вот что. Что это событие не за го-
рами, но процесс этот не будет гладким, не так что все
друг с другом согласятся: «давайте выберем язык».
Язык – это ж очень важная для человека информация.
А каждый человек стремиться защитить свою инфор-
мацию – вот и будут защищать.
Александр Гордон. Так если бы этого стремления не было, эта мо-
дель не действовала. Правильно? Чем выше степень
стремления, тем больше шансов на уничтожение ин-
формации, которая…
Дмитрий Чернавский. Которая не соответствует своей информации.
Ещё раз скажу: да, пытаемся. Пока что я не скажу, не
могу просто сказать точно, когда это событие произой-
дёт.
Александр Гордон. Но, исходя из вашей модели, произойдёт непре-
менно?
Дмитрий Чернавский. Произойдёт.
Александр Гордон. Теперь ещё один вопрос. А какие-то корректи-
вы и поправки в существование этой модели и в опи-
сываемые события (будущие в том числе), вносят раз-
витие информационных технологий, борьба информа-
ции на новом уже уровне, компьютеризация информа-
ции, глобализация её и так далее?
Дмитрий Чернавский. Вносят.
Александр Гордон. И как вы их учитываете?
Дмитрий Чернавский. Учитываем следующим образом. В модели есть
параметр, который описывает длину миграции инфор-
мации. Благодаря этим техническим и технологиче-
ским достижениям она меняется. И меняется вот как. Я
упомянул про историю, а из модели следует, что если
есть какие-то препятствия, где длина миграции затруд-
нена (горы, реки и так далее), то образуются чистые
кластеры, и их границами служат такие препятствия.
И тогда это стабильно. Тогда можно жить с разными
языками, ездить в гости, в командировки, учить языки
и не опасаться, что другие языковые группы будут те-
бя насильно заставлять говорить. Но если длина ми-
грации увеличивается, препятствия перестают играть
стабилизирующую роль и начинается снова почти ха-
отическое вытеснение одних другими.
Александр, вы сами видите, что вы задали вопросы
очень острые.
Александр Гордон. Да, я бы хотел лингвистов видеть в этой студии
вместе с вами для того, чтобы услышать их реакцию.
Мы сейчас прервёмся на рекламу, а когда вернёмся, у
нас останется несколько минут для того, чтобы подве-
сти итоги. Реклама.
Дмитрий Чернавский. Александр, наше время к концу подходит. Я бы
хотел сказать вот что. Мы начали и говорили о воз-
никновении жизни. Я ещё раз повторю, что есть раз-
ные точки зрения, и они, наверное, будут обсуждены в
цикле, посвящённом возникновению жизни. И это пра-
вильно, это хорошо! Ибо жизнь-таки возникла, и по-
нять, как это произошло, действительно наша задача.
Александр Гордон. Дмитрий Сергеевич, но вот здесь вопрос. Вы
сказали, что первая часть ваших рассуждений, связан-
ных с собственно возникновением жизни и с кодиро-
ванием белков – она дискуссионна. А кроме гипотезы
о Боге, какую ещё гипотезу приводят противники этой
теории?
Дмитрий Чернавский. По-моему, никакой. Но вот в других передачах
цикла услышим.
Александр Гордон. Попробуем разобраться.
Дмитрий Чернавский. Попробуем разобраться. Но, в основном, при-
водят вот что. Есть такое убеждение (я с ним тоже со-
гласен), что тот код, который сейчас есть, он настолько
сильно отличается от других, что другого просто и быть
не могло. При этом вопрос о том, как всё-таки возник
этот код, остаётся за кадром.
Ну, а заключить я хочу вот чем. Мы начали с одно-
го, а закончили целым клубком проблем. И я бы хотел
сказать, что это не случайно. В развивающихся систе-
мах копнёшь один какой-нибудь вопрос, и оказывает-
ся, что он и там, и тут. И вообще есть некие глобаль-
ные проблемы, охватывающие много отраслей, охва-
тывающие практически всю науку. В сущности, это и
есть синергетика. Ведь синергетика (тут были и кри-
тики её) – это попытка снова начать эпоху Возрожде-
ния. Насколько она удачна… Ей сопротивляются про-
фессионалы, потому что они защищают свою инфор-
мацию, своё место в жизни, где профессионал не дол-
жен знать всего на свете.
Александр Гордон. Но исходя из вашей же теории, из построенной
вами же математической схемы, в конечном итоге эта
борьба информации должна привести к тому, что по-
бедит одна – конечная – информация, которую, если
уж вы упомянули Возрождение, принято называть Ис-
тиной.
Дмитрий Чернавский. Да. Я думаю, что да.
Александр Гордон. Очень оптимистично.
Дмитрий Чернавский. А вот как она будет проходить, эта борьба…
Борьба есть борьба. В сущности, вся-то наша жизнь –
это ведь тоже борьба…
Александр Гордон. Спасибо.


Материалы к программе


Из книги Д. С. Чернавского «Синергетика и информация». М., 2002.
Глава «Информационные процессы в биологии».
В изучении информационных процессов в живой природе следует принимать во внимание следующие специфические особенности.
• Во-первых, в биологии актуален вопрос о возникновении (генерации) ценной информации.
• Во-вторых, вопрос о механизмах хранения и использования генетической информации в процессе развития организма до сих пор остается дискуссионным.
• В-третьих, проблема обработки информации в нейросетях сейчас интенсивно разрабатывается в математике и технике. Использование полученных здесь результатов применительно к биологическим нейросетям остается актуальной задачей.
В связи с этим недавно возникло новое направление — биоинформатика, которая занимается этими вопросами.
Проблематика возникновения жизни. Одна из самых ярких проблем в биологии — возникновение жизни. Существует научное направление — «Life Origin». Ему посвящены монографии крупных ученых, специальные выпуски журналов и доклады на конференциях и, разумеется, великое множество обзоров и оригинальных работ.
Наиболее важной и до сих пор дискуссионной остается проблема возникновения биологической информации и, в частности, генетического кода, которую мы рассмотрим подробно.
Сделаем несколько предварительных замечаний.
1. Современная биосфера основана на соединениях углерода. Это не случайно, поскольку углерод — уникальный элемент, что связано с его центральным (или промежуточным) положением в таблице Менделеева (4-я группа).
Иными словами, органические соединения обладают набором свойств, необходимым и достаточным для образования информационной системы.
Другие элементы такими наборами свойств не обладают. Ближе всех к углероду по разнообразию соединений находится кремний (тоже принадлежащий 4-й группе). Соединения кремния с алюминием и кислородом (алюмосиликаты — т. е. глины) могут образовывать полимеры и гетерополимеры. Однако они неспособны к комплиментарной авторепродукции глиноземов. Чистый кремний используется в элементарной базе современных компьютеров. Последние обладают свойствами информационной системы, кроме свойств комплиментарной авторепродукции. В производстве компьютеров необходимо участие человека. Самопроизвольное возникновение «компьютерного завода» без человека невозможно. Тем не менее в научной и научно-фантастической литературе обсуждается гипотеза о возможности появления живых систем на основе кремния. На первый взгляд такой ход мысли кажется оригинальным. При более внимательном подходе выясняется, что это типичный пример конъюнктурной информации. Действительно, при этом авторы остаются в рамках аксиоматики информационных систем и не предполагают никаких принципиально новых идей, меняется только материальный носитель, но не информационная сущность живых объектов.
Поэтому мы не будем обсуждать более детально это направление.
2. В нашей биосфере носителями информации являются полинуклеотиды: ДНК и РНК. При этом ДНК выполняет функции хранения информации и передачи потомкам, РНК участвует в биосинтезе белков (трансляции и транскрипции). Вопрос о том, какие полинуклеотиды ДНК или РНК участвовали в первичных процессах возникновения жизни, до сих пор является дискуссионным. Преимущества ДНК состоят в том, что эти полинуклеотиды более приспособлены к хранению генетической информации и комплиментарной авторепродукции. Преимущества РНК состоят в том, что молекулы РНК могут выполнить некоторые каталитические функции (хотя функции хранения и авторепродукции выполняют несколько хуже). На наш взгляд, эти преимущества иллюзорны.
Дело в том, что функция хранения информации и функция реализации се существенно различны и даже дополнительны. Чем лучше обеспечено хранение информации, тем труднее заставить ту же систему выполнить работу, предусмотренную в этой информации. Поэтому эти функции выполняются двумя различными подсистемами. В современной биологии первая функция выполняется ДНК; вторая — белками, РНК выступают в роли посредника и не несут ни первой, ни второй функции. В принципе роль посредника могут выполнить белки, соединенные с подсистемами (т.е. адаптеры). Поясним сказанное на примере из техники. Информация о производстве какого-либо продукта содержится в чертежах или на дискетах и хранится в архивах. Использование этой информации производится в цехах. Можно попытаться представить такую конструкцию, которая хранила бы в себе информацию и одновременно реализовывала ее. Любой инженер скажет, что это, во-первых, трудно и, во-вторых (и это главное), — не нужно.
Поэтому ниже мы будем предполагать, что первичным полинуклеотидом была молекула ДНК, а первичным «рабочим телом» — молекула белка.
Ранние стадии биологической эволюции. В этом процессе можно выделить три этапа: 1) образование биологически важных молекул (сахаров, липидов, аминокислот и нуклеотидов) в предбиологический период; 2) самопроизвольное скопление этих молекул в пространстве и их поликонденсация с образованием полимеров (полипептидов и полинуклеотидов со случайными последовательностями); 3) возникновение биологической информационной системы и ценной информации в ней.
На третьем этапе происходит выбор единого для всего живого на Земле генетического кода и возникают простейшие «существа», способные к комплементарной авторепродукции с использованием этого генетического кода. Слово «существа» взято в кавычки.
На втором этапе происходит самоорганизация материи, но еще не достаточная для возникновения у объектов «цели» и, следовательно, ценной информации. Поэтому такие объекты нельзя еще называть «живыми существами».
И только в конце третьего этапа можно говорить о возникновении «живой материи», т. е. «существ». Пока что эти термины мы употребляем без определения понятия «жизнь» (поэтому они взяты в кавычки). Такое определение целесообразно рассмотреть после обсуждения третьего этапа. Однако перед этим необходимо кратко рассмотреть первые два.
Первый этап — возникновение биологически важных молекул и их самоорганизация. Такие органические вещества, как сахара, липиды, аминокислоты и нуклеотиды, обладают избытком свободной энергии. Поэтому в термодинамически равновесной системе концентрация их ничтожно мала. Однако в открытой системе при наличии источников энергии такие вещества могут синтезироваться.
В настоящее время показано, что наиболее эффективно синтез таких веществ может протекать при извержении вулканов, а также при электрических разрядах (молнии), под воздействием ультрафиолетового излучения и космических лучей. Синтез некоторых полимеров, например сахаров путем полимеризации формальдегида, возможен даже в космическом пространстве.
Однако в этих условиях соотношение скоростей образования и распада биологически важных веществ такова, что концентрация их в первичном океане может быть очень мала. Иными словами, если бы вещества были бы распределены в пространстве равномерно, то дальнейшая их полимеризация или коликонденсация была бы практически невозможна. Поэтому необходим был второй этан — их самоорганизация.
Второй этап — самопроизвольное скопление молекул. Впервые (еще в 1924 г.) на эту возможность обратил внимание А. Опарин. Было показано, что биологически важные молекулы могут самопроизвольно концентрироваться, образуя капли, названные коацерватами. По ряду свойств коацерваты напоминали клетки простейших. Позднее аналогичные структуры наблюдал С. Фокс и назвал их микросфорами.
Таким образом, важность второго этапа состоит в том, что благодаря самоорганизации в каплях, подобных клетке (коацерватах, микросферах и маригранах), создаются условия для спонтанного образования биополимеров. В этой связи можно сказать, что образование «клетки», точнее ее аналога, предшествовало возникновению жизни.
Третий этап — образование информационной системы. Обсудим свойства каплеподобных образований, состоящих из случайно связанных полинуклеотидов и полипептидов как информационных систем. При этом основное внимание обратим на свойства полинуклеотидов как хранителей генетической информации.
Молекулярные аспекты механизма авторепродукции. Как упоминалось, комплементарная авторепродукция необходима для запоминания биологической информации. Хранителем информации является биспираль ДНК, и, следовательно, речь идет о репродукции ДНК. Для ускорения репликации и предохранения ДНК от гидролиза необходим белок-фермент с такими функциями, называемый репликазой.
Ясно, что первичный процесс репликации был проще современного. Тем не менее, для того чтобы представить молекулярный механизм первичной репликации, целесообразно рассмотреть современную картину, включая свойства белка-репликазы и его биосинтез.
Расчеты вероятности являются основным камнем преткновения в вопросе о происхождении жизни. Именно эти, абсурдно малые, величины вероятности лежат в основе утверждения о невозможности понять и описать возникновение жизни в рамках современной науки.
Для преодоления трудности достаточно отказаться от буквального понимания слова «кодирует» и принять, что молекула ДНК в первичном гиперцикле способствовала образованию белка-репликазы (катализировала его синтез) без участия кода.
Иными словами, первичная последовательность ДНК начинает играть существенную роль в определении первичной последовательности белка. Именно благодаря адаптерам ускоряется формирование той белковой последовательности, которая соответствует функциональной форме белка. Таким образом, существует переходная стадия, в которой совмещены процессы синтеза белка без кода и процессы кодирования, сходные с современным биосинтезом. Последнее позволяет при изменении (мутации) последовательности ДНК (но без изменения набора адаптеров) синтезировать белки с измененной последовательностью аминокислот и, следовательно, с измененной формой и функцией. Иными словами, появляется возможность дальнейшей биологической эволюции.
В рамках данного варианта проблема малой вероятности образования первичного гиперцикла не возникает. Однако встает другой вопрос: почему в современной биосфере господствует один вариант кода и отсутствуют другие? Обсуждаются два ответа на этот вопрос.
Первая гипотеза сводится к тому, что среди разных вариантов кода имелся наилучший, который и был «отобран» в последующей эволюции.
Во второй гипотезе принимается, что все варианты кода были равноправны, но в результате взаимодействия между разными популяциями был выбран (а не отобран) единый код.
Вернемся к вопросу о синтезе белка в первичном гиперцикле. Смысл слова «кодирование» в рассматриваемом случае существенно иной, чем в современном биосинтезе. В обычном понимании никакого кодирования вообще не происходит. Главную роль играет форма ДНК, полинуклеотид функционирует как гетерогенный катализатор. При этом фиксируется форма белка-репликазы, последний в силу механизма образования принимает комплементарную форму, т. е. представляет собой слепок с ДНК.
Последний этап — выбор единого кода — имел место уже после образования нескольких различных популяций гиперциклов с различными вариантами кода.
Поэтому антагонистическое взаимодействие в данном случае заведомо сильнее, чем не антагонистическое. Выше было показано, что в конце всего процесса образуется «чистое» состояние, т. е. выбирается один вариант кода. Это имеет место и в несимметричной модели, т. е. в случае, когда варианты не одинаковы. При этом побеждает вовсе не «наилучшая» популяция, а та, которая по воле случая оказалась более многочисленной.
Иными словами, происходит не отбор наилучшего варианта (в традиционном, дарвиновском понимании), а выбор одного из практически равноправных, который вытесняет остальных.
Здесь уместно сделать ряд замечаний. Можно сказать, что белок, образованный по схеме гетерогенного катализа, является грубым слепком с молекулы ДНК. Первичные адаптеры тоже являются «слепками» (уже не грубыми), с одной стороны, с участка ДНК (кодона или антикодона), а с другой — с прилегающего блока аминокислот.
Эволюцию биосинтеза белка можно сравнить с эволюцией письменности.
Древняя форма письма — иероглифы. В древности каждый иероглиф представлял собой рисунок объекта, можно сказать «слепок» с него. Так, дом изображался в виде шалаша-треугольника, а бык — в виде морды с рогами (алеф). При этом не было необходимости использовать алфавит (т.е. код). Иероглифическому этапу соответствует схема первичного синтеза адаптеров.
Затем некоторые иероглифы потеряли свойство прямого соответствия целому объекту (при этом существенно упростились), но приобрели новую функцию — буквы. Буква является частью слова — ее осколком, и сама по себе ничего не значит. Она приобретает смысл в сочетании с другими буквами в соответствии с алфавитом (кодом). Алфавитная письменность появилась с увеличением количества передаваемой информации. Смысл этого прост, число сочетаний даже небольшого количества символов факториально велико по сравнению с количеством символов. Переход от иероглифической письменности к алфавитной был постепенным. Сперва к иероглифу, соответствующему предмету (или действию) добавляли более простой символ, уточняющий смысл первого. Такая смешанная письменность, не нарушая функций иероглифов, расширила возможности письменной передачи информации. При этом иероглифы постепенно вытеснялись буквами. Подчеркнем, это происходило именно постепенно, поскольку превращение каждого иероглифа в букву не препятствовало восприятию всего текста. При этом каждый из участников, как создатели знака, так и реципиенты, постепенно, путем взаимного обучения, вырабатывали условия кода, т. е. алфавит. Схема промежуточного биосинтеза белка соответствует смешанной письменности, где адаптеры, с одной стороны, являются осколками чехла (иероглифы), а с другой — уже буквами.
Отметим особенность биологической эволюции. В рассматриваемый период гиперцикл включал только один белок — репликазу, с единственной функцией. Даже в таких простейших популяциях был выработан (выбран) единый код. Можно сказать, что «В начале было слово», оно имело один смысл — комплиментарную репродукцию, т. е. жизнь. Алфавит был выработан на основе единого слова.
Возникновение биологического разнообразия и проблема темпов биологической эволюции. В современной биосфере имеется большое разнообразие видов, которое появилось в результате эволюции. Обычно его изображают в виде схемы, именуемой эволюционным деревом.
Новые виды находят себе новые источники питания, осваивают новые экологические ниши и приспосабливаются к ним. При этом выживают наиболее приспособленные, а менее приспособленные вымирают. В результате вариабельность внутри каждого вида уменьшается и распределения сужаются.
Эта стадия называется конвергентной. В молекулярном аспекте появление нового вида означает появление белков с новой функцией и соответствующих этим белкам новых генов. Обсуждавшийся выше процесс образования гиперциклов можно рассматривать как возникновение вида. Образование многих гиперциклов с различными вариантами кода соответствует дивергентной стадии, а выбор одного варианта кода — конвергентной. Сейчас мы рассмотрим этапы дальнейшей эволюции, акцентируя внимание на наиболее острых проблемах.
Перед этим сделаем ряд замечаний.
1. Разнообразие возникает, когда исходные ресурсы (мононуклеотиды и аминокислоты) исчерпываются и необходимы новые белки с новыми функциями. Например, белки, разлагающие полинуклеотиды и полипептиды умерших особей. Другой пример — белки, способные усваивать сахара (углеводы), и липиды, созданные в предбиологический период.
Каждый из организмов, обладающий белком с новой (катаболической) функцией, осваивает свою экологическую нишу. Процесс освоения новых (разных) ниш за счет синтеза новых (разных) белков является дивергентным.
2. Различают два типа процессов образования новых белков.
а) градуальный, или приспособительный, когда «новый» белок мало отличается от уже существующих. В этом случае «новый» белок может возникнуть за счет небольшого числа точечных мутаций.
б) появление нового белка с принципиально новыми функциями и/или системы таких белков. Такие события в эволюции называются «ароморфозами» (в буквальном переводе с греческого — изменение формы); используется также название «большие скачки». В этом случае новая система не может возникнуть за счет точечных мутаций.
Примером может служить образование фотосинтетического аппарата, т. е. системы белков, способной утилизировать солнечную энергию и использовать ее для синтеза органических соединений (сахаров). Такие процессы играют роль только на дивергентных стадиях.
3. Основная проблема биологической эволюции связана с ее скоростью. Бытует утверждение о том, что в течение времени существования Земли (или даже Вселенной) наблюдаемое биологическое разнообразие не могло возникнуть. Оно относится главным образом к «большим скачкам». Существует и противоположное мнение, так что вопрос остается дискуссионным.
Для корректной постановки этого вопроса необходимо сравнить две величины: число «попыток» N и вероятность создать новый белок за одну попытку. Число попыток уже обсуждалось выше, оно порядка десяти в двадцать девятой степени. Вероятность создать белок с новой функцией за счет точечных мутаций существенно зависит от того, сколь сильно отличается новый белок от своего предшественника и сколько аминокислотных остатков нужно заменить в белке, чтобы он мог выполнять новую функцию. При градуальной эволюции число таких остатков не велико. Вероятность создания белка (или системы белков) с принципиально новой функцией за счет точечных мутаций того же порядка, что и вероятность создания функционального белка заново. Оценки ее приводились выше и было показано, что она абсурдно мала. В этом, собственно, и заключается проблема темпов биологической эволюции.
Информационный аспект биологического разнообразия. В биологической эволюции базовый этап — выбор единого кода, т. е. алфавита. Код отработан на основе одного белка — репликазы. В данном случае алфавит возник на основе одного слова. Аналогом иероглифической записи информации можно считать предшествующую стадию — образование репликазы как слепка с ДНК.
Следующий этап — образование белка, способного усваивать новые субстраты, — генерация новой информации на основе единого кода, который является тезаурусом на следующем этапе. Геном организмов, способных синтезировать несколько белков с разнообразными функциями, можно уподобить фразе, имеющей определенный смысл. Действительно, если весь словарный запас сводится к одному слову, то о смысле его говорить трудно. Точнее, оно имеет столь общий смысл, что его трудно выразить иначе как «Бог» («…и слово было Бог»).
При появлении генома, кодирующего несколько разных белков, понятие «смысл» становится содержательным. Его можно выразить фразой «поглощать такой-то субстрат, чтобы жить». При дальнейшем усложнении организмов и увеличении кодируемых белков информация становится не только кодовой, но и смысловой. Цель организмов та же — сохранить свою (теперь уже смысловую) информацию.
Следующий уровень — создание принципиально новой информации.
Ароморфоз. Наиболее яркие примеры «больших скачков» — появление фотосинтезирующих организмов в воде и возникновение дышащих организмов на суше. Это свойства обеспечивали очень большие эволюционные преимущества и позволили заселить практически пустые экологические ниши. Однако каждая из новых функций требовала появления сразу нескольких новых белков, т. е. новой белковой системы. При этом каждый из белков системы в отдельности не давал никаких эволюционных преимуществ. Поэтому градуальная (постепенная) реализация «большого скачка» невозможна. С другой стороны, возникновение всей системы в целом «сразу» (за один акт) за счет точечных мутаций тоже крайне маловероятна.
Физическими причинами каждого из упомянутых этапов дивергентной эволюции являются, во-первых, истощение ресурсов питания (продовольственная проблема) и, во-вторых, загрязнение окружающей среды «отходами» биогенной деятельности.
Так, в начальный период (до появления фотосинтезирующих) основными субстратами питания были органические вещества абиогенного происхождения и остатки отмерших организмов. Атмосфера Земли в то время была восстановительной и основным энергетическим процессом являлся гликолиз. Настал момент, когда наши далекие предки все эти продукты съели — наступил продовольственный и энергетический кризис, и темп репродукции сильно уменьшился.
Усвоение энергии света и использование ее для синтеза АТФ позволило решить энергетическую проблему. Возникновение белковой системы фотолиза воды и использование углекислоты для синтеза сахаров (цикл Кальвина) позволили решить продовольственную проблему.
Однако тут же возникла проблема загрязнения окружающей среды. Дело в том, что атмосфера наполнялась кислородом, который, с точки зрения наших анаэробных предков, являлся сильным ядом.
Следующим «большим скачком» было образование дыхательной цепи — белковой системы, способной усваивать кислород, окислять сахара вплоть до углекислоты (цикл Кребса) и синтезировать АТФ за счет энергии окисления (окислительное фосфорилирование). Это позволило превратить ядовитые отходы в полезный субстрат. Одновременно появилась новая экологическая ниша — суша.
Дальнейшие ароморфозы были связаны с образованием многоклеточных и высших организмов.
Из изложенного следует, что биологической эволюцией двигали три главных фактора: стремление сохранить свою информацию, а также голод и загрязнение окружающей среды биологическими отходами.
Механизм образования ароморфозов. Рассмотрим проблему на примере образования белков, способных усваивать и утилизировать свет. Как правило, это мембранные белки. Они отличаются от растворимых в воде белков (протеаз, эстераз и т.д.). Глобулы растворимых белков устроены так, что на поверхности расположены гидрофильные остатки аминокислот. Глобулы мембранных белков с боковых сторон покрыты гидрофобными, а с торцовых сторон — гидрофильными остатками. Поэтому для образования таких белков необходимы новый активный центр и новая глобула. Соответственно, ценную информацию, необходимую и достаточную для функционирования нового белка, можно разделить на две части: одна относится к активному центру, другая — к конструкции глобул.
Вероятность спонтанного возникновения системы из нескольких (хотя бы трех) таких белков, необходимых для функции фотосинтетического фосфорилирования, уже оказывается абсурдно мала.
Именно это обстоятельство лежит в основе проблемы араморфозов, и именно на этом основании делается вывод о невозможности объяснить наблюдаемый (т.е. быстрый) темп эволюции.
Разрешение проблемы в информационном аспекте выглядит достаточно просто. Действительно, в приведенных выше оценках делается неявное предположение о том, что при возникновении новых структур не используется информация, возникшая раньше и содержащаяся в прежних структурах, выполняющих другие функции. Это предположение действительно оправдано, если имеется только механизм точечных мутаций и другие отсутствуют.
Проблема решается, если допустить, что помимо точечных мутаций существует другой механизм — блочные мутации. При этом новый белок собирается из уже имеющихся блоков (деталей) старых белков. Информация, содержащаяся в блоках, не пропадает, а сохраняется и используется уже в новой белковой конструкции, выполняющей новые функции.
Вероятность появления целой белковой системы не мала (в наших масштабах).
В целом создание новых белков из уже имеющихся блоков сходно с детской игрой «конструктор», в которой из одних и тех же деталей можно собрать мост, дом, экипаж и т.д. Поэтому обсуждаемую гипотезу можно условно назвать «конструктор».
Выше мы оперировали блоками, входящими в белки. В действительности перестановки блоков совершаются на уровне генома. На оценку вероятности перестановки блоков это не влияет. Однако с молекулярной точки зрения это важно, ибо в запасе должны храниться не лишние белки, а лишь информация о них. Используя аналогию с эволюцией техники, можно сказать, что при конструировании новой машины инженер использует чертежи прежних машин, хранившиеся в архиве, и выбирает из них чертежи нужных деталей.
Другой пример «большого скачка»: возникновение аппарата усвоения кислорода происходило аналогично и закончилось образованием простейших дышащих организмов. Впоследствии в результате симбиоза они внедрились в другие клетки и превратились в органеллы — митохондрии.
Таким образом, проблему скорости биологической эволюции можно считать решенной. Она протекала действительно быстро. Впрочем, тот же вопрос можно было бы поставить и в отношении эволюции техники. Она также осуществлялась достаточно быстро, но была бы гораздо более медленной (или даже невозможной), если бы при создании каждой новой машины приходилось каждую ее деталь изобретать заново. Большую роль при этом играли стандартизация деталей и сохранение в архивах чертежей прежних конструкций.

Библиография


Аветисов В. А., Гольданский В. И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира//Успехи физ. наук. 1996. Т. 160.
Волькенштейн М. В. Молекулярная биофизика. М., 1975.
Капица С. П., Курдюмов С. П., Малинецкий Г. Г. Синергетика и прогнозы будущего. М., 1998.
Кастлер Г. Возникновение биологической организации. М., 1967.
Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М., 1924.
Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическая биофизика. М., 1984.
Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическое моделирование в биофизике. М., 1975.
Чернавская Н. М., Чернавский Д. С. Туннельный транспорт электронов в фотосинтезе. М., 1977.
Чернавский Д. С. Синергетика и информация. М., 1990.
Чернавский Д. С., Чернавская Н. М. Белок-Машина: Биологические макромолекулярные конструкции. М., 1999.
Чернавский Д. С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики//Успехи физ. наук. 2000. № 170.
Уоддингтон К. Морфогенез и генетика. М., 1964.
Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М., 1973.
Avetisov V. A., Goldanskii V. I., Kuzmin V. V. Handedness, Origin of Life and Evolution//Physics Today. 1991. V.44.
Chernavskaya N. M., Chernavskii D. S. Some aspects of the Problem of Life Origin//J. Theor. Biol. 1975. V. 53.
De Duve C. Origin of Life. Blueprint for a Сell. Burlington, 1991.
Frontiers of Life/Ed. Tran Thanh Van et al. Sigapore, 1991.
Molecular Evolution and Protobiology/Ed. K. Matsuno et al. NY; London, 1984.

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

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X