4.Механизмы происхождения и функционирования жизни
В свое время Дж.Джинс привел пример: вероятность случайного, самопроизвольного образования молекулярных структур жизни не выше, чем если бы обезьяна, стуча по клавишам пишущей машинки, случайно выбила тома Британской энциклопедии. Из миллиардов органических соединений, существующих в природе, в построении живого участвуют лишь несколько сотен, из ста аминокислот в состав белка входят двадцать (причем совершенно обязательных - 9, а остальные, вероятно, синтезируются организмом). Лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе сложных полимеров, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза. Тем более замечательно столь огромное многообразие из столь узкого круга условий и компонентов.
Ключ к пониманию загадки жизни дает концепция самоорганизации. Здесь "естественный отбор" идет из продуктов, которые можно получить множеством различных способов и которые обладают при этом обширным каталитическим спектром, то есть некоей путеводной нитью - для природы и нашего понимания природы - является своеобразный принцип избыточности (обеспечивающий наибольшие шансы для возникновения и "выживания"). Установлено, что каталитические процессы включаются при температурах ниже 5000 градусов, то есть после длительной подготовки, согласования, сбалансирования процессов по молодости слишком горячей Вселенной. При этом образуются достаточно обыденные углеродные соединения типа СН3ОН, Н2СО как некая некаталитическая база для дальнейшего катализа. Возникновение градиента температуры, сохраняющегося в течение длительного времени, служит условием образования в охлаждающихся областях вблизи звезд сложных молекул, лежащих в основе жизни.
Есть предположение (Дж.Коккони) об изоморфизме (общности форм) определенных типов структур, характерных для микромира (при повышении энергии столкновения молекул) и биологических структур, формирующихся при росте времени (величине, канонически сопряженной с энергией). В этом смысле можно говорить о специфическом, физико-биологическом типе дополнительности, позволяющем понять условия самозарождения жизни. Выяснилось также, что в условиях сверхнизких температур и интенсивных излучений (где, как не в космосе) могут образоваться структуры, очень близкие к молекулярным структурам живого.
Как показал Нобелевский лауреат М.Эйген, условия для образования таких структур возникают благодаря передаче информации на предбиологическом уровне, на так называемой стадии гиперциклов. Предварительная информация как бы инструктирует организацию материи. Еще более совершенный механизм передачи информации, на еще более высоком уровне организации и со многими "степенями защиты", обеспечивает воспроизведение жизни. Раз возникнув, жизнь продолжает создавать условия для своей эволюции. Как результат коэволюции макро- и микроявлений, связанных диссипативными процессами, предстает и возникновение сознания.
На молекулярно-генетическом уровне биологических структур важнейшее значение имеет ассиметрия как синоним антиэнропийности, повышения организации. Аминокислоты, содержащиеся не только в человеческом организме, но во всем живом, растениях и даже вирусах, являются изомерами левого вращения, соответствующим образом отклоняющими поляризованный свет. Столь же оптически активными являются правовращательные аминокислоты. Это свойство называется молекулярной хиральностью (от греч. хейрос - рука). А вот неорганические вещества, обладая симметрией, соответственно лишены такой формы оптической активности. Стоит добавить, что если бы человек превратился вдруг в свое зеркальное, "правохиральное" отображение, то, в принципе, ничего бы не изменилось до приема пищи животного и растительного происхождения, которую он не смог бы переварить.
Выяснилось также, что чем длиннее и сложнее трофические (пищевые) связи между составляющими живую систему элементами, тем она более жизнеспособна и устойчива. Выделяя роль механизмов приема пищи в жизненном балансе, различают автотрофные организмы, которые не нуждаются в органической пище и могут жить за счет либо ассимиляции углекислоты (бактерии), либо фотосинтеза (растения). Гетеротрофными называются организмы, которые не могут жить без органической пищи. Какие из них возникли раньше - на этот счет мнения расходятся. Логично предположить, что сложные органические вещества, необходимые для гетеротрофного питания, могли образоваться лишь после подготовки условий для этого автотрофными организмами.
С другой стороны можно предположить (А.И.Опарин), что некогда существовал первичный "бульон", содержавший органические вещества как питательную среду для дальнейшего развития.
Нельзя исключать небелковые формы жизни: с точки зрения химии ни сам белок, ни его составные элементы не являются особыми, уникальными соединениями. Вероятно, белковая форма оказалась наиболее подходящей для Земли - как результат своеобразного "естественного" отбора и коэволюции земных условий и возникающих в них биологических структур.
Отдельно следует сказать о вирусах. Эти странные существа, превосходящие величиной обычную молекулу белка в тысячу раз, не питаются и не растут, зато воспроизводятся в клетке "хозяина". Пока идут споры, в какой степени или форме их можно отнести к живому, вирусы активно разрушают живые структуры. Впрыскивая в клетку "хозяина" свою ДНК, вирус производит захват и разрыв клетки, подготавливая плацдарм для лавинообразного возникновения новых вирусов. Это борьба на выживание одной из форм жизни.
Интересное открытие принес первый год нового тысячелетия. Расшифровка структуры хромосом показала, что у человека она наполовину совпадает со структурой хромосом дождевого червя. СМИ подали это как сенсацию. Между тем, если вдуматься, было бы гораздо удивительнее, если бы никакого совпадения не было. Это подтверждение общности оснований пирамиды живого на Земле.
Особая роль в жизненных процессам принадлежит мутациям, которые в генетике аналогичны флуктуациям синергетики. Мутация - это частичная перестройка структуры гена, с соответствующими изменениями свойств белков, сохранением и накоплением изменений. Вызванные радиацией, химическим воздействием, тепловым излучением, стечением случайных факторов, мутации, с одной стороны, могут рассматриваться как роковые "опечатки" в "переизданиях книги жизни", с другой стороны, мутация может оказаться и благоприятной, и тогда она постоянно будет включаться в книгу жизни данного вида организмов.
Таким образом, и здесь мы сталкиваемся с явлением самоорганизации. Чем сложнее система, тем больше у нее эмерджентных свойств, то есть таких, которых нет у ее частей и которые являются следствием целостной системы (будь то метеорологические системы, искусственный интеллект или жизнь). В сформировавшейся, отлаженной системе преобладают гомеостатические связи, стремящиеся свести внешние воздействия к нулю (например, поддерживая постоянство температуры тела), то есть отрицательная обратная связь. А вот при формировании системы действует своеобразный механизм целеполагания, сочетания положительной или отрицательной обратной связи. Создается впечатление, будто система преследует определенную цель, и имея перед собой стратегическую задачу, строит гибкую тактику, обеспечивающую ее выполнение (энтелехия - целенаправленность как движущая сила).
Как отмечает И.Пригожин, на первых стадиях "эволюции к жизни" возникают механизмы, выталкивающие систему в сильнонеравновесные условия. Ферменты выполняют роль "демона Максвелла". Организм ведет себя как молекула, вступающая только в те реакции, где ее свободная энергия понижается (за счет получения информации). Уже на самых ранних стадиях зарождения органических веществ действует механизм отбора того, что наилучшим образом подогнано, наиболее пригодно к дальнейшему усложнению и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. В дальнейшем такой же отбор производит организм. Скорее даже происходит не приспособление организма к среде, а повышение организованности и устойчивости системы в целом. В этом состоит отличие "чехарды" адаптации от упорядоченной эволюции: "суетятся" отдельные организмы, а виды, роды, семейства эволюционируют закономерно.
Эволюция выступает как сочетание катастроф и адаптации. Продолжая аналогию с молекулой, можно сказать, что "открытая система ведет себя как молекула, вписанная в график функций от многих переменных". Не рыба имеет обтекаемую форму, так как живет в воде, а живет в воде, ибо это для нее оптимальная среда. После выбора соответствующей среды эволюция производит соответствующую "доводку".
На всех стадиях эволюции действует своеобразный закон "необходимого разнообразия". Диатропика (наука о разнообразии) показывает, что не только среда определяет систему, но и система - среду. Соединяя систематику с морфологией, диатропика позволила даже создать своеобразную периодическую систему для животных (Л.Окен). Основной причиной эволюционных изменений выступает своеобразный физиологический дискомфорт (по разным причинам). При разрушении сложной системы в первую очередь гибнут механизмы поддержания целостности, части системы приобретают самостоятельность, действуя по принципу "кто во что горазд". Такой катастрофический отбор дестабилизирует систему, которая, разрушаясь, как бы ищет, за что зацепиться, и тогда бурление изменчивости, рост неравновесности находят выход, "нишу". Поиск новых возможностей сопровождается катастрофическим вымиранием, которое не может длиться долго, переходя на новый уровень, новую форму структурно-системной организации.
Выделяя такие характеристики жизни как неравновесность, динамичность, постоянное движение, способность обмена со средой веществом, энергией, информацией, способность создавать порядок и тем понижать энтропию, избыточность исходных структур, дальнейшую структурную компактность и энергетическую экономичность, избыточное самопроизводство, диалектику наследственности и изменчивости, необратимость, мы обнаруживаем, что и они не могут служить основой для определения жизни, поскольку относятся к любым эволюционирующим системам. Ведущие биологи мира отказываются провести границу между живым и неживым. Жизнь - это самоорганизация, синоним жизни - развитие.
В любом случае важнейшие характеристики жизни - это самообучение и самовоспроизведение на любых уровнях организации, при этом обучение онтогенетически (онтогенез - индивидуальное развитие организма) означает то же, что самопроизводство - филогенетически (филогенез - развитие типов, классов, рода, племени). Есть все основания считать, что онтогенез - это филогенез в свернутом виде.
Вопрос об уровнях организации живых систем: популяции как единице эволюции, системе популяций - биоценозы, биогеоценоз, биосфера, ноосфера. Но это в следующей лекции.