и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронес-	В 1981 г. М.Эйген продемонстрировал, что в растворах
шийся над мусорной свалкой, может привести к сборке	мономеров нуклеотидов в присутствии фермента полимера-
“Боинга-747”».	зы могут синтезироваться полимерные молекулы РНК,
Опарин разрабатывал свою гипотезу происхождения	способные к репликациям, мутациям и даже к борьбе за
жизни — возникновение живого в результате взаимо-	существование с молекулами-предками (рис.40). В 1974 г.
действия простейших органических соединений при посте-	Л.Орджел экспериментально показал, что нуклеотидные
пенном усложнении, и многие следовали ей, привлекая все	мономеры полимеризуются и без полимераз, образуя в
новые и новейшие данные. Этим процессам благоприятст-	конечном итоге РНК, если в растворе имеется «затравка»
вовали высокое содержание простых органических соеди-	этой молекулы. Таким образом, доказана автономность и
нений в поверхностных водах еще молодой Земли, наличие	возможность образования на Земле органических веществ,
разнообразных условий, постоянный приток энергии от	лежащих в основе метаболизма живых существ, и нуклеи-
Солнца, в том числе и жесткого ультрафиолета. Возник	новых кислот, носителей наследственной информации. На
круговорот веществ, и из взаимных превращений абиоти-	базе экспериментов Эйгена и Орджела сформировалась
ческих веществ образовались процессы синтеза и распада	гипотеза возникновения жизни по схеме «гены — фер-
органики, стали сохраняться более устойчивые соединения	менты — метаболизм», утверждающая одномоментное
и распадаться малоустойчивые. Если бы шли только про-	появление репликации и метаболизма. Но есть доказа-
цессы синтеза, то структуры усложнялись, но никакого	тельства, что эта схема не верна и даже ошибочна.
обмена веществ не получилось бы, т.е. получилась бы не	Известный биолог из Принстона Ф.Дайсон в своей книге
жизнь, а кристаллизация. Если жизнь начала развиваться	«Происхождение жизни» (2000 г.) развивает свою гипотезу
как единство процессов синтеза и деструкции органи-	независимого появления репликации и метаболизма. Совре-
ческого вещества, то вряд ли на первых этапах она связана	менные данные палеонтологии указывают на следы моле-
была с простейшими организмами, подчеркивал Бернал	кул углеводов и порфирина (предшественника хлорофилла)
(1969 г.). Стало быть, жизнь появилась раньше живых	в ископаемых структурах Гренландии (возраст 3,5–3,8 млрд
организмов, и первичными были белковые коацерваты.	лет), тогда как остатков нуклеиновых кислот не обна-
Возникновение молекулярной биологии привело к	ружено. Значит, одновременно эти явления не могли
союзу биохимии и генетики, кульминацией которого было	возникнуть, репликация и метаболизм имеют разных
появление гипотезы Уотсона–Крика (1953 г.), объяснявшей,	носителей (нуклеиновые кислоты и белки, соответственно)
каким образом может быть записана генетическая инфор-	и возникли автономно. Кроме того, в предбиологической
мация в молекулах ДНК. Самое важное — все организмы	среде не было образцов РНК и тем более ферментов,
обладают одним и тем же генетическим кодом.	поэтому приведенные опыты ничего не говорят о проис-
Простейшие системы — вирусы — состоят из нуклеи-	хождении жизни, да и неизбежные ошибки при репликации
новых кислот (ДНК или РНК), заключенных в белковую	должны накапливаться, что привело бы к гибели биосистем.
оболочку, так не является ли молекула ДНК первой живой	Поэтому Дайсон считает наиболее правдоподобной гипо-
формой? «План построения» молекулы ДНК не может быть	тезу Опарина (концепцию голобиоза), согласно которой
признан случайным, а огромное количество информации	сначала появились белковые коацерваты — проклетки,
не возникает внезапно. Для Опарина жизнь — это процесс,	которые обладали гомеостатом и размножались, но не
поток, обмен веществ в материи, и потому не может	имели механизма репликации. Компьютерное моделиро-
быть отождествлен с какой-то застывшей формой.	вание показало, что из неорганизованной молекулярной
В книге «Жизнь, ее природа, происхождение и развитие»	совокупности в коацервате возникает организованный
(1960 г.) Опарин отмечает, что внутренняя организация	комплекс, который приобретает белковый гомеостаз (при
паразитов упрощается по мере роста «зависимости от своих	числе молекул более 2000 возникает 8–10 мономеров и
хозяев» и адаптации к этой экологической нише. И, хотя	дискриминантный фактор фермента порядка 60–100).
закодированные нуклеиновые кислоты вирусов — продукт	Значит, на этапе предбиологической эволюции амино-
эволюции более высокоорганизованных организмов, сами	кислот достаточно 8–10 (а не 20, как сейчас), и для фер-
вирусы — конечный результат паразитического вырож-	ментов 60–100 (а не 5000–10000, как сейчас). Вероятность
дения, утратившими все, кроме генетического материала.	достижения порядка оказалась около 50%, а успешного
Они способны к самовоспроизведению при использовании	синтеза полимров — 75%. Поэтому гипотеза Опарина–
метаболизма более высокоорганизованных организмов, и	Дайсона проверена компьютерным моделированием и
они не смогли бы появиться, если бы до них не имела место	предлагает следующий порядок возникновения биострук-
эволюция организмов, обладающая способностью к обмену	òóð — «клетка — ферменты — гены».
веществ.

20.6. СОВРЕМЕННАЯ ОЦЕНКА КОНЦЕПЦИИ БИОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ И ПАНСПЕРМИИ

Концепция Вернадского появилась в 1931 г. Он писал	И первое появление жизни при создании биосферы должно
î геохимических функциях биосферы: «…среди миллионов	было произойти не в виде появления одного какого-то
видов нет ни одного, который бы мог исполнить один все	организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохи-
геохимические функции жизни, существующие в биосфере	мическим требованиям жизни». Вернадский связывал
изначально. Следовательно, изначальный морфологический	возникновение жизни с гигантской катастрофой, прер-
состав живой природы в биосфере должен быть сложным.	вавшей безжизненную эволюцию земной коры и внесшей

206

столько противоречий, что они смогли породить жизнь. Он считал, что наука способна определить условия, при которых зарождение жизни окажется единственно возможным. Когда-то в прошлом при наличии физико-химических условий, не учитывающихся в настоящее время, был нарушен принцип Реди («все живое — из живого»). Этот принцип только указывает, что самопроизвольного возникновения жизни нет сейчас и не было в то время, когда жизнь уже существовала, раз возникнув. В биосфере, по Вернадскому, есть косное вещество (минералы), которое остается постоянным, и живое, меняющееся в процессе эволюции.

Оптические свойства живого и неживого веществ различны, и живое всегда оптически активно. Значит, молекулы живого обладают общей асимметрией и поляризуют проходящий через них свет. То же относится и к аминокислотам. Молекулы же «косного» вещества, имеющие разные виды симметрии, напротив, не способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света. Поскольку веществ, поворачивающих плоскость поляризации, вне Земли пока не обнаружено, естественно считать, что земная жизнь имеет земное происхождение. Появление оптической активности ранее было установлено Фарадеем под влиянием приложенного магнитного поля.

Некоторые предположения Вернадского подтверждены последующим развитием науки. Во-первых, был открыт генетический код, единый для всего живого. Этот четырехбуквенный алфавит выглядит как следствие процесса естественного отбора, отразившего «наиболее приспособленную к земным условиям форму передачи наследственной памяти, наследственной информации, которая кодируется нуклеиновыми кислотами», как выразился академик Н.Моисеев. Это единство генетического кода трудно объяснить, отрицая, что жизнь является продуктом эволюции Земли. Вернадский не мог утверждать это уверенно, поэтому использовал это положение, как не противоречащее опытным данным. Во-вторых, недавно были обнаружены следы жизни на Земле, которые просуществовали 3,6 млрд лет в глубокой пещере на дне океана. Это значит, что почти одновременно (по космическим масштабам времени) с возникновением нашей планеты на ней появилась жизнь.

Концепция «генобиоза» появилась в 50-е годы в связи с работами Холдейна. Он считал, что первичная среда была не структурой, способной к обмену веществ со средой (как у Опарина), а макромолекулярной системой (типа гена), способной к саморепродукции, он назвал ее «голым геном». Иногда эту концепцию называют информационной. Пастер тоже рассматривал зарождение живого как возникновение дисимметричной молекулы из симметричной неживой. Американский ученый Г.Блюм (1951 г.) обратил внимание на то, что на ранних этапах эволюции жизни и фотосинтез должен отличаться от современного. Г.Гаффон делил эволюцию энергетики организмов на пять этапов, связанных с последовательной эволюцией внешних условий, в частности, с изменением состава солнечного излучения, достигающего земной поверхности (1962 г.). Примитивный фотосинтез использовал ультрафиолетовое излучение, а по

мере образования озонового слоя живое постепенно приспосабливалось к фотонам меньшей энергии, но в большем количестве.

Концепция «голобиоза», в отличие от предыдущей, основана на первичности белков. Теория Опарина (1957– 1960 гг.) включает разработку эволюции процессов обмена веществ. Он считал, что механизм запасения солнечной энергии с помощью хлорофилла достаточно сложен и не мог возникнуть быстро, как и процесс окисления некоторых неорганических соединений (серы или железа), используемый микроорганизмами для биосинтеза. Как сторонник первичного обмена веществ, протекающего в коацерватной системе, он считал появление в ней нуклеиновых кислот завершением эволюции в итоге конкуренции протобионтов. Из-за амфотерности молекул белка образовывались коллоидные гидрофильные комплексы, создавая оболочку типа эмульсии. При слиянии таких комплексов друг с другом образуются коацерваты (ëàò. coacervàtus «накопленный, собранный»), отделяющие коллоиды от остальной водной среды. Различные коацерваты являлись сырьем для «биохимического естественного отбора». В них происходили дальнейшие химические реакции, при поглощении ими ионов металлов образовывались ферменты. Вдоль границ выстраивались сложные углеводороды, типа мембран клетки, обеспечивающие стабильность.

Судьба коацерватной капли определялась тем, какой процесс в ней оказывался преобладающим — роста или распада. Так как среда, в которой они образовывались, мало отличалась по своему составу, сохранение устойчивости не испытывало затруднений. Отличающееся от среды распадалось, а то, что не особенно отличалось от среды, сохранялось и росло. Происходил отбор капель, наиболее устой- чивых в данных условиях. За миллионы лет отбора капель лишь малая часть сохранилась. Достигнув определенных размеров, одна капля могла распасться на дочерние, и те из них, которые соответствовали по структуре материнской, росли дальше, а резко отличные — распадались. И сохранялись только капли, не теряющие своей структуры, т.е. приобредшие свойство самовоспроизведения. При попадании в коацерват способной к воспроизведению молекулы и внутренней перестройки липидной оболочки могла образоваться и простейшая клетка. Процесс мог развиваться и привести к образованию простейшего организма, питающегося органическими веществами из первичного бульона. Появление самовоспроизведения закрыло этап предыстории развития жизни. Коацерватная капля стала живым организмом, открылась возможность прогрессивной эволюции.

Многие ученые признают верной эту гипотезу происхождения жизни и ищут детальное подтверждение ей. Как результат существования единого генетического кода

оказалась возможной передача наследственных признаков у бактерий не непосредственно от клетки к клетке, а через бактериофагов. Такие данные получил советский биохимик С.М.Гершенсон (1965 г.). Эта идея стала использоваться в генотерапии — исправление наследственных дефектов ДНК при переносе с помощью вирусов нормальной ДНК в дефектные клетки.

207

Понятие конкуренции гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул, распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке кроме

принципа дарвиновского отбора, и ввел Эйген в своей знаменитой работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971 г.) (см. рис.40).

Полимеризация молекул на пути к живой клетке не могла идти путем перебора вариантов, для чего требуется время, большее времени существования Вселенной. Молекулы быстро и экономично складываются в полимерную цепочку по четкому правилу, коду. Те циклы, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, и «побеждают» в конкурентной борьбе. Пищей служат молекулы мономеров, которые хотят поглотить, присоединить к себе макромолекулы полимеров, или, точнее, циклы реакций. В первичном бульоне присутствуют и катализаторы хими- ческих реакций, которые сами образуются в них как промежуточные продукты, тем самым протекающие реакции похожи на реакции типа Белоусова–Жаботинского, т.е. являются автокаталитическими. Эйгену еще не было известно, что через несколько лет такие самоорганизующиеся системы начнут изучать в разных областях науки, выделят принципы самоорганизации и появится новая область знания — синергетика. Так появилась гипотеза о

механизме зарождения макромолекул, необходимых для строительства белка в процессе эволюции, и новая модель предбиологической эволюции.

С критикой позиции Эйгена выступил (1979 г.) Опарин, считая появление жизни не случайным, а закономерным процессом. Его поддержал преподаватель Пермского университета В.В.Орлов, утверждавший, что философия должна «объяснять» процессы происхождения жизни и сознания. Он верил в целенаправленность эволюции материи, кульминацией которой является происхождение человека. Этот телеологический способ мышления сближал Опарина и Орлова с философией природы Тейяра де Шардена. С их взглядами не согласился Дубинин: «Жизнь — это не фатальное последствие химической эволюции. Жизнь на Земле могла и не возникнуть…».

Концепция генобиоза в 70–80-е годы приобрела популярность. Начало живого — неравновесные диссипативные (рассеянные) структуры или открытые микросистемы с мощным ферментативным аппаратом, являющимся катализатором. Этот биоид подвержен эволюции из-за переходов (мутаций) между «видами», к переходам к более устой- чивой структуре. Такими могут быть кристаллы глины, считал А.Дж.Кернс-Смит. Возникновение асимметрии в живой материи Дж.Трэнтер связывал с многократным усилением исчезающе малых асимметрий слабого взаимодействия в кристаллических структурах глин. Холдейн обратился к идее первичности макромолекулярной системы с функциями генетического хода. Эту его последнюю концепцию называют «необиозом».

Сначала нуклеотидная система была голой, т.е. находилась в комплексе с протеинами и обеспечивала свою саморепродукцию. Но в абиотических условиях сразу «зародился» нуклеиново-протеиновый комплекс, так как полинуклеотиды без ферментов не способны к саморепродукции. Общее признание в этой концепции получила идея, согласно которой блоками макромолекулы была ДНК или РНК. В 80-е годы было обнаружено, что РНК способна к самовоспроизведению без посредничества белков — ферментов (Нобелевская премия 1989 г.). В 1989 г. сформировалось представление о древней РНК, совмещающей черты фенотипа и генотипа (Д.Джойс), что реализовывало идею Дарвина о эволюции ее в ДНК с утратой самостоятельных каталитических функций. Но вскоре оказалось, что в условиях на древней Земле синтез РНК протекал бы с трудом. Кроме того, непонятно участие довольно редкого элемента — фосфора — в качестве компонента нуклеиновых кислот.

Появились новые гипотезы: в тонких пленках органики, адсорбированной на кристаллах пирита или апатитов; в геотермальных источниках на дне океана. Выделяют особую роль в происхождении жизни соединений серы (К. де Дюв, Нобелевская премия 1974 г.). Ясности пока нет, но очевидно, что существование жизни повышает энтропию Вселенной, переводя локально материю в организованное, структурированное состояние.

Глава 21. КОНЦЕПЦИИ САМООРГАНИЗАЦИИ

ИМОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ

21.1.ВОЗНИКНОВЕНИЕ УПОРЯДОЧЕННОСТИ В ГИДРОДИНАМИКЕ. ПОНЯТИЕ ХАОСА

Рассмотрим течение воды при термодинамическом равновесии, при малых и при больших отклонениях от него. Особенности перехода от ламинарного течения к турбулентному важны для практики, для гидро- и аэромеханики,

èони неоднократно решались в рамках физики, механики

èматематики. Термин «турбулентность» ввел еще Кельвин, производя его от латинского «turbulentus» (беспорядочный). Точного описания нет до сих пор, как нет простой математической модели турбулентных движений, которые оказались связанными с нелинейностью.

Âтеории обычно имеют дело с безразмерным параметром — числом Рейнольдса Re, введенным в гидродина-

мические теории (1883 г.) и связанным с режимом течения. По определению число Re равно скорости потока v, умноженной на характерный линейный размер, фигурирующий в задаче — L, который делится на вязкость среды, отнесенную к плотности n: Re = vL/n. Такие теории (гидро- и аэродинамические) развивали русские ученые Н.Е.Жуковский, С.А.Чаплыгин и другие. Одна из наиболее стройных теорий перехода к турбулентности была построена в 1944 г. Л.Д.Ландау. Вообще, это явление очень сложное, можно сказать, что это целый комплекс связанных явлений.

При равновесии, если система замкнута и v = 0, ее энтропия максимальна. При наличии градиента давления

208

жидкость течет в сторону меньших давлений, ее движение происходит как бы слоями, параллельными направлению течения (ламинарное течение). Потоки и термодинами- ческие силы связаны линейно, производство энтропии в стационарном состоянии (течении) минимально. При малых значениях числа Re единственная стационарная картина течения соответствует ламинарному течению. Небольшие отклонения скоростей движения от стационарных значений, возникающие из-за флуктуаций, экспоненциально затухают со временем, появляется пара вихрей. При увеличении скорости потока выше критической некоторые из малых возмущений перестают затухать, система теряет устойчивость и переходит в новый режим; вихри начинают осциллировать, движение жидкости становится турбулентным. Линейная зависимость потоков и сил нарушается, как и теорема Пригожина о минимальном приросте энтропии, хотя картина еще стационарна. В этом случае говорят о первой бифуркации (в пер. — раздвоение, разветвление) или бифуркации Хопфа.

С увеличением числа Re новый периодический режим вновь теряет устойчивость, возникают незатухающие колебания с частотой, определяемой величиной Re. Растет неравновесность, и вместе с ней число корреляций и параметров, характеризующих систему. При переходе к турбулентности между отдельными областями течения возникают новые корреляции, новые макроскопические связи. Затем появляются новые частоты, сокращается интервал частот, и, по теории Ландау, появляющиеся новые движения имеют все более мелкие масштабы. Нерегулярное поведение, типичное для турбулентности, — результат бесконечного каскада бифуркаций. Говорят, что система из «царства необходимости» переходит в «царство свободы». Но и в «царстве свободы» периодически возникают области, где движение вновь приобретает порядок — «острова необходимости» (рис.41).

Существенно усложняется структура течения и одновременно увеличивается его внутренняя упорядо- ченность. Это уже не тот беспорядок, что был в равновесном состоянии. Существенно меняется характер броуновского движения частиц, турбулентность сказывается на поглощении и рассеянии электромагнитных и звуковых волн. Например, фотографии распределения световой волны, прошедшей через турбулентную жидкость, фиксируют пятна типа интерференционной картины, соответствующей фокусам и каустикам, которые возникают в световом пучке.

Проблема турбулентности важна не только в связи с инженерными приложениями. Большая часть среды Вселенной находится в турбулентном движении, и с неустойчивостями сталкиваются в физике атмосферы и астрофизике, в океанологии и физике планет. Вообще отношение к хаосу было разнообразным. У древних греков хаос счи- тался первичным состоянием материи, но, как отметил Б.Пастернак, «напрасно в годы хаоса искать конца благого».

Хаотические эффекты, нарушавшие стройную картину классической физики с первых дней становления теории, в XVII в. воспринимались как досадные недоразумения. Кеплер отмечал нерегулярности в движении Луны вокруг Земли. Ньютон, по словам своего издателя Р.Котеса,

принадлежал к тем исследователям, которые силы природы и простейшие законы их действия «выводят аналитически из каких-либо избранных явлений и затем синтетически получают законы остальных явлений». Но закон — однозначное и точное соответствие между рассматриваемыми явлениями, он должен исключать неопределенность и хаотичность. Отсутствие однозначности в науке того времени рассматривалось как свидетельство слабости и ненаучного подхода к явлениям. Постепенно из науки изгонялось все, что нельзя формализовать, чему нельзя придать однозначный характер. Так пришли к механи- ческой картине мира и «лапласовскому детерминизму».

Необратимость процессов нарушила универсальный характер механических законов. Поскольку проследить за движением каждой молекулы газа невозможно, пришлось признать ограниченность своих возможностей и согласиться, что закономерности, наблюдаемые в поведении массы газа как целого, есть результат хаотического движения составляющих его молекул. И тогда Клаузиус ввел «принцип элементарного беспорядка». Беспорядок понимался как независимость координат и скоростей отдельных частиц друг от друга при равновесии. Больцман и положил эту идею в основу своей молекулярно-кинетической теории. Максвелл указал на принципиальное отличие механики отдельной частицы от механики большой совокупности частиц, подчеркнув, что большие системы характеризуются параметрами (давление, температура и др.), не применимыми к отдельной частице. Так родилась новая наука — статистическая механика. Идея элементарного беспорядка, или хаоса, устранила противоречие между механикой и термодинамикой. На основе статистического подхода удалось совместить обратимость отдельных механических явлений (движений отдельных молекул) и необратимый характер движения их совокупности (рост энтропии в замкнутой системе).

Но идеи хаоса оказались более фундаментальны. При изучении теплового излучения возникли противоречия: электромагнитная теория Фарадея–Максвелла описывала обратимые процессы, но процессы обмена световой энергией между телами, находящимися при разных температурах, ведут к выравниванию температур, т.е. должны рассматриваться как необратимые. Планк ввел гипотезу «естественного излучения», соответствующую гипотезе молекулярного беспорядка. Ее смысл такой: отдельные электромагнитные волны, составляющие тепловое излу- чение, ведут себя независимо и «являются полностью некогерентными». Эта гипотеза привела к представлению о квантовом характере излучения, которое обосновывалось с помощью теории вероятностей. Хаотичность излучения оказалась связанной с его дискретностью. Квантовый подход позволил Планку и Эйнштейну объяснить ряд законов и явлений (закон Стефана–Больцмана, закон смещения Вина, законы фотоэффекта и др.), которые не находили объяснения в классической электродинамике.

Отступления Луны от траекторий, рассчитанных по законам классической механики, американский астроном Дж.Хилл в конце XIX в. объяснил притяжением Солнца. Французский математик А.Пуанкаре предположил, что вблизи каждого тела есть малозаметные факторы и явле-

209