Концепции современного естествознания

шаг в молекулярной самоорганизации живых молекул.

Третья ступень – переход к живой клетки. По Эйгену, самовоспроизводящиеся накопители информации после появления механизма трансляции «открыл новые возможности макробиологической самоорганизации». Этот конгломерат, или кооператив, оказался выгоднее, связи отдельных нуклеиновых кислот стали образовывать гиперциклы. Рассматривая переход от мономеров к полимерам, он понимал, что природа не могла перебирать все возможные расстановки мономеров, на это у нее просто не хватило бы времени. Поэтому он использовал дарвиновскую идею естественного отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов, понимая под ними циклы химических реакций, приводящих к образованию белков. Гиперцикл можно рассматривать как прототип самовоспроизводящийся системы реакций. Индивидуальные молекулы РНК, воспроизводящийся циклически, сопряжены между собой дополнительной цепочкой связей, которая образует цикл.

Такой цикл проявляет свойства, наблюдаемые у живых систем. Это означает, что произошло скачкообразное изменение или имело место автокаталитическая реакция типа реакции Белоусова-Жаботинского. Любой гиперцикл ведет себя как кооперативная единица с нелинейным законом роста. Если какие-то дополнительные условия ограничивают рост (постоянная скорость поступления питания, например), то из-за нелинейности получается жесткая конкуренция между циклами и отбор идет по принципу «все или ничего». Это свойство позволяет использовать малые селективные преимущества и эволюционировать скорее, чем при линейной системе реакции. Прежде всего, нелинейность фиксирует универсальный код и хиральность (правую или левую) макроскопических структур. Даже если выбор был основан на случайности флуктуации, она будет усиливаться и приведет к тому же результату «все или ничего». Появление гиперцикла – это преодоление порога между живыми и неживыми.

Описанные ступени познания самых сложных процессов в природе – только модель, план и требуют наполнения конкретными исследованиями. Условия для старта существовали в геологической истории Земли, а может, и в другом месте Вселенной. Химия и физика дают предпосылки описания структур, которые при наличии круговорота вещества и энергии будут постоянно воспроизводиться в силу присущих им взаимодействий и медленно меняться из-за статистических флуктуации. Неограниченная самоорганизация живых структур, как показывает теория гиперциклов, зависит от наличия целого ряда химических условий, метаболизма, самовоспроизведения и мутаций. Неотъемлемым свойством прогрессивной

521

эволюции является ее направленность во времени. Это качество связано с ростом энтропии при необратимых процессах. Оно проявляется во всех случаях распределения вероятностей. Критерии устойчивости, сформулированные Гленсдорфом и Пригожиным на основе термодинамики, дают обоснование закономерности эволюции, что проявилось как в играх, так и в теории гиперцикла.

Таким образом, в каждом случае самоорганизации в физической, химической и биологической системах природы началом служит некая случайность, начальная флуктуация или мутация. Теория игр указывает, что сами механизмы селекции подвержены закону усложнения, поскольку они тоже часть процесса эволюции. С эволюцией растут ценность информации и неопределенность пути каждой единицы, что осложняет рассмотрение сложных биологических систем.

Все живые организмы – высокоупорядоченные системы. Они обладают сложными структурами, которые поддерживали и даже воспроизводили себя благодаря слаженному механизму связи поведенческих и химических процессов. Со времен Дарвина биологи рассматривали эволюцию в качестве источника этого порядка. После выявления роли процессов самоорганизации в сложных системах естественно предположить, что биологический порядок частично отражает спонтанную упорядоченность, на фоне которой действует механизм естественного отбора. Естественный отбор придал определенную форму, но не обязательно закономерности развития индивидуального организма. На основании исследования математических моделей, отражающих сложные системы, можно сделать предсказания, согласующиеся с наблюдаемыми свойствами организмов. По-видимому, сейчас мы подходим к пониманию эволюции как органического взаимодействия между отбором и самоорганизации.

Биологический мир полон сложных систем: тысячи генов, регулирующих друг друга в клетке; система клеток и молекул, которые осуществляют иммунные реакции организма; миллиарды нейронов нервной системы, обеспечивающие связь между клетками, поведение и обучение; переплетающиеся цепи экосистемы, изобилующих совместно эволюционирующими видами живых организмов. Процесс саморегуляции можно рассмотреть на примере генома – полного набора живых организма. У высших животных геном содержит в закодированном виде информацию, необходимую для производства около 100 тысяч различных белков. Известно, что все клетки организма содержат одни и те же генетические инструкции, отличаясь активностью тех или иных генов. Геном действует по-

522

добно сложному параллельному компьютеру или сети, в которой гены регулируют деятельность друг друга непосредственно либо при помощи своих продуктов, и различие клеток основано на координированном поведении системы.

AD HOS (лат) – кстати Алгоритм мышления ученых

1. Сформулировать цель. Четко поставить задачу. Распланировать работу.

2. Собрать информацию. Проверить, проанализировать, построить систему.

3. Оценить то, что удалось узнать. Теперь задача начинает обретать конкретную форму.

4.Провести эксперимент! Но сначала его следует разработать, описать теоретически. Тут может потребоваться посторонняя помощь.

5.«Перевести» задачу в цифры. Время для экспериментов и расчетов. Предварительно необходимо подобрать лучший из возможных методов.

Приготовиться к получению результата…

6.Получить результат! Анализ, анализ и еще раз анализ. Что показали расчеты? Что дал эксперимент? Совпали ответы или противоречат друг другу? И в том, и в другом случае – конкретное решение на лицо.

Алгоритм мышления бизнесмена

1.Сбор информации. Узнать, где, что, как, почем. По сути дела любой бизнесмен постоянно находится в информационном потоке.

2.Анализ собранных данных. Информацию надо проанализировать, нужное отделить и запомнить.

3.Определение алгоритма действия. Как с наименьшими потерями и

снаибольшей прибылью использовать данную конкретную возможность. Чем алгоритм проще – тем лучше.

4.Конкретные действия, воплощение алгоритма в жизнь. Важны быстрота и четкость. Тогда предприятие будет работать и приносить

деньги без сбоев.

Алгоритм мышления финансистов

1.Четко определить цель.

2.Создать модель, учитывающую интересы и возможности действия каждого «участника». Проиграть ситуацию и ее помощь. Сделать выводы.

3.Выбрать окончательную стратегию. Не забыть о возможности временного превращения конкурентов в союзников.

4.Провести мониторинг происходящего на рынке.

523

5. Проанализировать результаты. Отметить положительные моменты, чтобы использовать их в будущем, и отрицательные, чтобы «не наступать на одни и те же грабли».

Алгоритм мышления следователей

1. Получить исходное задание. Обработать информацию. Выработать первичные версии. Распланировать следствие.

2.Определить круг подозреваемых.

3.Провести оперативно-розыскные мероприятия. Постоянно находиться в режиме сбора и переработки поступающей информации. Ото-

брать наиболее вероятные версии. Сузить круг подозреваемых.

4.Собрать доказательства для подтверждения окончательной версии. Работать с экспертами, техническими средствами, дополнитель-

ной информацией.

5. Задержать подозреваемых. Провести допросы, очную ставку, следственный эксперимент.

6. Оформить документы для передачи дела в суд.

Математические модели призваны помочь разобраться в свойствах таких сложных систем параллельной обработки. При любом наборе локальных свойств (генов в геноме) можно построить целый класс сложных всевозможных систем, соответствующих свойствам взаимодействия частей системы. Получится некая новая статистическая механика.

11.9. Современные взгляды на возникновение жизни. Сценарий происхождения жизни Ю.А. Колясникова

Наука есть разрешение многих сомнений; она есть видение скрытого; она есть око для всего; слеп тот, у кого ее нет

Из «Хитопадеши»

На сегодня очевидно, что рождение Жизни могло произойти только в жидкой воде. Однако ни один исследователь не обратился к этому универсальному растворителю как к возможному, и, быть может, основному участнику кодирования белков в ДНК, а тем более как к главному дирижеру буквально всех процессов в нашем организме. Скорее всего, гипнотизирующая простота химического состава воды не давала даже повода к такой мысли. Но, исключив воду из рассмотрения возможных претендентов на матрицу синтеза предбиологической органики, исследователи за сорок лет безуспешных поисков были вынуждены обратиться к очень популярным ныне среди космобиохимиков идеям внеземного происхождения жизни и направленной панспермии.

524

Однако при таком простом составе структура аномальной по всем свойствам воды настолько сложна, что не поддается всем самым современным методам исследования.

В1990 году Ю. А. Колясников предложил оригинальную политетра-

мерную модель структуры воды, в которой роль молекул играют не Н2О, а сверхсжатые водные тетрамеры Н8О4, соразмерные кремнекислородным тетраэдрам – элементарным «кирпичикам» литосферы.

Важным элементом модели является обнаруженная графически рацемичность воды, то есть наличие в ней зеркально-симметричных, по распределению внутренних Н–связей, тетрамеров. А как полагали еще П. Кюри и В. И. Вернадский, правизна – левизна живого вещества есть следствие диссиметрии среды, в данном случае – воды. Кроме того, в живом веществе, вода находится в связанном состоянии, когда тетрамеры «развязываются», образуя, правые и левые спиральные цепочки, в которых в связи с дипольностью молекул может быть записана некая информация. Попробуем представить, что происходило на Земле 4 млрд. лет назад.

Сейчас наука возвращается к взглядам Р. Декарта об изначально горячей Земле. Именно с таких позиций пытались представить возникновение Жизни, или биогенез, Дж. Холдейн, А. И. Опарин, Дж. Бернал и другие, но без конкретного сценария образования самого первородного океана.

Всвоей теории (или сценарии), автор пытается восполнить этот про-

бел.

По мере остывания планеты ее плотный облачный покров, подобный венерианскому опускался все ниже и ниже. Из облаков проливались горячие ливни, но поначалу они выкипали на лету. Наконец дождевые капли стали достигать поверхности, но они падали и тут же вскипали. Это продолжалось достаточно долго, вплоть до того момента, когда одна из них не выкипела целиком, упав, следовательно, на максимально охлажденную точку горячей протокоры, с которой и начался стремительный рост гидросферы. В составе тонкой пленки первородного бульона имелись все нужные для синтеза предбиологической органики компоненты, хотя сама вода была тогда в дефиците.

Втой первой капле в подкипящем состоянии (250 – 200°С и 50 атм.) первая тётрамерная спиральная цепочка связанной с жестким силикатным субстратом воды, совершенно случайно оказалось левовращающей (с той же вероятностью она могла быть и правовращающей). На ней была синтезирована первая аминокислота, которая уже не случайно получилась левовращающей. К первой тетрамерной цепочке присоединилась вторая, тоже левая, как и синтезированная на ней аминокислота, то есть все последующие аминокислоты становились левовращающими. И так последо-

525

вательно заработал водно-матричный механизм синтеза сразу кристальночистой аминокислотной органики.

Однако одновременно с левовращающими «разворачивались» и правовращающие тетрамерные цепочки связанной воды, на которых позднее начался синтез менее термостойких сахаров – основы нуклеиновых кислот. Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов неумолимо вел к образованию сложных нуклеопротеидных комплексов с записью в их примитивной РНК однозначного генетического кода.

Итак, главным фактором хирального очищения органики и возникновения генетического кода живого вещества Земли могло быть лишь одно из необычайных свойств воды, а именно ее собственная рацемичность. Следует отметить также, что в принятых сейчас сценариях биогенеза синтез рацемичной предбиологической органики происходил в уже существовавшем океане, в котором позднее произошла хиральная катастрофа.

В интерпретации же Ю.А. Колясникова все началось с самой первой капли, и далее шла стремительная экспансия бульонной пленки с синтезом в ней сразу хирально-чистой органики, что исключает маловероятную хиральную катастрофу. В результате на поверхности планеты образовался первобытный Солярис, огромная сеть бульонной пленки состоящей из предбиологического органического вещества.

С появлением в первом вулканическом катаклизме 4 млрд. лет назад на поверхности планеты свободной воды, уцелевшие фрагменты первобытного Соляриса дезинтегрировались в плазмиды, прионы и наноразмерные нуклеопротеидные комплексы. Избегая прямого контакта с чуждой им объемной политетрамерной водой, последние сворачивались, формируя белковые капсулы с РНК внутри них. Следовательно, вторым этапом биогенеза можно считать образование в первичной гидросфере бесчисленного множества разнообразных протовирусов, вироидов и прочих.

Позднее появились мембраны разного состава, а на их основе возникли первые клетки как вполне автономные истинно живые системы. Но и те, и другие продолжали использовать в своей жизнедеятельности первичную водную матрицу, обеспечивающую ускоренный синтез их биополимеров.

11.10. Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем

Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя не опишешь, тобой наслаждаешься, не понимая, что ты такое. Ты не просто необходимая для жизни, ты и есть жизнь.

Сент-Экзюпери

526

творов, составленные из ювенильных и вадозных вод. Общее сопоставление химического состава планетарного океана и усредненного состава гидротермальных источников показывает наличие большого сходства. Эта особенность является естественной, поскольку океан формировался за счет мощных гидротермальных излияний в ходе геологического развития Земли.

Переходя ко второму критерию среды возникновения жизни - ее высокотемпературности – следует сделать выбор из этих двух сред в пользу гидротермальных систем. Хотя следует отметить, что критерий высокотемпературности не позволяет сделать окончательный выбор между океаном и гидротермальными системами, так как в случае исходно горячей Земли первичный океан тоже должен быть достаточно горячим.

Третье требование к среде – сильная неравновесность – является ключевым. Требования сильной неравновесности среды, необходимой для спонтанного возникновения явлений самоорганизации, означает наличие в среде сильных флуктуаций. Амплитуда флуктуаций должна быть велика для преодоления критического рубежа, за которым начинаются процессы самоорганизации. При небольших колебаниях параметров относительно средних равновесных значений никакой самоорганизации не происходит, последняя возникает только вдали от состояния равновесия. Оценивая с этих позиций степень возможных флуктуаций в океане можно сказать, пользуясь терминологией ТНП, что океан находится в состоянии аттракции, или относительно (подвижного) равновесия, которое характеризуется небольшими колебаниями параметров вокруг равновесных значений.

Принципиально иными в рассматриваемом аспекте являются гидротермальные системы. Кардинальное отличие гидротермальных систем от океана заключается в том, что они обладают собственной мощной энергетикой. Вследствие избытка свободной энергии в системе периодически происходит накопление напряжений, выражающееся в возрастании интенсивных параметров (температуры и давления). Так же периодически накопленные напряжения разряжаются, приводя к увеличению экстенсивных параметров – объема преобразованного растворами минерального вещества. Такая внутренняя активность гидротермальных систем и вызывает постоянные и различные по амплитуде флуктуации, поддерживающие состояние неравновесности.

Таким образом, наиболее вероятной средой для возникновения жизни являются глубокие области гидротермальных систем (от глубин в несколько километров до поверхности). Эта область характеризуется:

1. наличием высокотемпературной жидкой, существенно водной среды;

528

2.существованием в ней мощных динамических возмущений, и флуктуации термодинамических и физико-химических параметров;

3.присутствием разнообразного растворенного и дисперсного органического вещества.

Эту зону можно рассматривать как своеобразный природный инкуба-

тор, в котором зародились первичные эмбриональные формы протожизни.

11.11. Энергия и происхождение жизни на Земле. Химическая эволюция

Вращается весь мир вокруг человека, – Ужель один недвижим будет он.

А.С. Пушкин

Гипотеза химической эволюции – современная теория происхождения жизни также опирается на идею самозарождения. В основе ее лежит не внезапное возникновение живых существ на Земле, а образование химических соединений и систем, которые составляют живую материю. Она рассматривает физико-химические процессы древнейшей Земли, прежде всего химические реакции, протекавшие в примитивной атмосфере и в поверхностном слое воды, где, по всей вероятности, концентрировались легкие элементы, составляющие основу живой материи, и поглощалось огромное количество солнечной энергии. Эта теория пытается ответить на вопрос: каким образом в ту далекую эпоху могли самопроизвольно возникнуть и сформироваться в живую систему органические соединения?

В процессе гравитационного коллапса звезд гравитационная энергия превращается в тепло и энергию световых квантов, инициируя реакцию слияния протонов в α-частицы. Дальнейшее сжатие и сопровождающий его разогрев звезды создают условия для синтеза из α-частиц ядер углерода. В этих процессах высвобождается громадное количество энергии намного больше чем при изменении гравитационной энергии. Это происходит за счет превращения вещества в энергию в реакциях нуклеосинтеза

[79].

В CN-цикле протоны сливаются в α-частицы, при этом углерод выступает в роли катализатора. Кроме того, α-частицы могут и непосредственно взаимодействовать с ядрами кислорода, порождая ядра неона, магния, кремния и серы. В процессе фоторасщепления ядер энергия электромагнитного излучения инициирует образование и более тяжелых ядер вплоть до ядер железа.

Таким образом, в образовании химических элементов участвуют источники энергии четырех типов: гравитационной, тепловой, ядерной и энергии световых квантов.

529

Химические элементы образовавшиеся в ходе звездного нуклеосинтеза, объединяются друг с другом при относительно низких температурах на поверхности твердой коры планеты и образуют широкий спектр малых молекул. Под действием потоков энергии (молнии, УФ-излучение, вулканическое тепло) наиболее стабильные молекулы (CО2, N2, Н2О) превращаются в более сложные соединения (сахара, и аминокислоты) которые становятся «строительными блоками» жизни.

Простые молекулы-предшественники под действием потоков энергии различной природы соединяются с образованием мономеров. Моделируя в лаборатории условия, существовавшие на примитивной Земле, и используя в качестве простых молекул СН4, СН2О, Н2О и NH3 удалось получить аминокислоты, сахара и азотистые основания (составляющие ДНК и РНК).

Смешанные олигомеры – биологически важные молекулы, образующиеся из мономеров в ходе реакции конденсации. Этот механизм формирования более крупных молекул является универсальным в биологии.

Для создания любого полимера организм должен затратить энергию. Связано это с тем, что биологические полимеры находятся в водной среде, где весьма вероятен их гидролиз. Живые организмы получают необходимую им энергию за счет каталитически активных ферментов.

Это и есть суть проблемы Уробороса (Уроборос – мифологический змей, символизирующий идею самозарождения.): создание полимеров требует наличия мономеров. Иными словами: для того чтобы получить энергию, необходимую для синтеза полимеров, необходимо затратить энергию.

Рассматривая энергетически метаболизм и процессы полимеризации активированных мономеров, мы сталкиваемся с одним интересным моментом: продукты этих процессов, полимеры, являются очень важными компонентами молекулярного аппарата, при помощи которого сами эти полимеры образуются.

В этом смысле полимеры представляют собой самозарождающиеся объекты. Их синтез служит иллюстрацией головоломки Уробороса на молекулярном уровне, и разгадка этой головоломки аналогична решению проблемы самозарождения механизма синтеза полимеров.

На примитивной Земле протекали различные химические процессы, но особую роль играли те из них, в основе которых лежит фосфор. В конечном счете именно с помощью энергии фосфатной связи появилась возможность направлять энергию геофизических окислительно-восстанови- тельных реакций на инициацию процессов в органическом веществе, существовавшем на ранней Земле. Благодаря превращению энергии окисли-

530