Глава II. Еволюція складних систем у напрямі життя

Единий світовий процес розвитку - це просто гра випадку, а безпе­­­рервне ускладнення організації в результаті взаємодії об'єктивної не­­­обхідності і такої ж необхідної стохастичності нашого Всесвіту. Цей процес обіймає неживу природу, життя і суспільство. Усе це - ланки од­­­ного ланцюга, фрагменти загального світового синергетичного процесу, пов'язаного з руйнуванням одних стійких структур і утворенням переду­­­мов до формування нових на всіх рівнях організації матерії.

Ствердження, що життя - явище космічне і природний етап самоорга­­­нізації матерії зовсім не означає, що це необхідна фаза її розвитку. Це просто одна із можливостеей її самоорганізації, одна із віртуальних форм, яка має певні особливості. Перш за все, специфіка біосистем по­­­лягає у тому, що у них є минуле, тобто вони розвиваються у часі і ба­­­зуються на незворотних процесах. Молекули, які утворюють біосистеми, є результатом попередньої хімічної еволюції у напрямі розвитку здатності приймати участь у автокаталітичних процесах, здатних викликати утво­­­рення доволі специфічних форм самоорганізації. Основний напрям цього процесу пов'язаний із появою найпростіших систем, котрі мають цілий ряд переваг у порівнянні з індивідуальними компонентами (складовими частинами) за рахунок придбання принципово нових системних якостей. Наприклад, до складу води входять водень і кисень, але властивості во­­­ди як системи не можуть бути зведеними ні до властивостей газів, ні до суми їх якостей. Вони принципово інші, тобто уже на перших етапах ма­­­терія самоорганізується ук система, що суттєво розширює діапазон її пристосувальних можєливостей. Подальший розвиток іде системним шляхом як еволюція усе більш якісно різноманітних, лабільних і поліфункціо­­­нальних систем. У основі цього процесу лежать особливості хімічної еволюції,котрі із часом призвели до формування генетичного коду і ви­­­никнення життя. Деякий час у біології інтенсино дебатувалося пи­­­тання про тип первинних макромолекул (нуклеїнові кислоти чи білки). Були одержані певні результати, які свідчили на користь нуклеїнових кислот. А саме, у 1987р. Т.Р.Чак виявив каталітичні властивості РНК, виділеної із деяких грибів і водоростей. Она могла здійсновати аутосп­­­лайсінг. Це дозволило припустити, що одна із основних властивостей білків (каталітична активність) могла виникнути на рівні нуклеїнових кислот, тобто ці макромолекули слід вважати первинними. Але більш ра­­­ціональною вважається вимога паралельного формування нуклеїнових кис­­­лот і білків.

Вперше математично довів можливість коеволюції макромолекул М.Ей­­­ген. Він встановив, що існує тільки один тип систем, який є пеерешко­­­достійким і здатним опиратися помилкам, котрі постійно виникають у хо­­­ді їх функціонування. Така система повинна складатися із двох класів полімерів:

1) молекули, які мають здатність до самовідтворення (типу нуклеї­­­нових кислот) і діють як каталізатори при синтезі молекул другого кла­­­су;

2) молекули (типу білків), які можуть каталізувати самовідтворен­­­ня молекул першого класу.

Утворюються дисипативні структури, котрі Ейген назвав гіперцикла­­­ми. Вони забезпечують стале виживання молекул обох класів, які взаємно підтримують і захищають власні структуру і функції. Такий цикл здатний до самовідтворення і подальшого розвитку.

Конкретизація цієї ідеї була виконана В.Я.Савінковим у 1991р. В основі його моделі знаходяться ниткоподібні кристали графіту з однією винтовою дислокацією, котрі широко розповсюджені у природі. Їх ріст відбувається за схемою пар - рідина - кристал і починається з утворен­­­ня зародка, який уявляє собою одноатомну площину, закручену за формою гвинтової драбини перпендикулярно до вісьової лінії.

Реальні кристали відрізняються від ідеальних тим, що у результаті домішок, теплового руху атомів, фізичних дефектів їх кристалічна ре­­­шітка має дислокації (перекручення). Особливістю гвинтової дислокації є максимальне перекручення решітки, яке зосереджується тільки в ось­­­овій лінії, котра і є ядром дислокації. Гвинтові дислокації можуть правими ( від верхнього горизонту до нижнього по годинниковій стріль­­­ці) і лівими. Праву дислокацію неможливо перетворити у ліву простим обертанням кристалу - тільки дзеркальним відображенням. Це могло пос­­­лужити основою для формування макромолекул з відповідною оптичною ак­­­тивністю. Перехід від найпростіших хімічних елементів до складних систем пов'язаний із катастрофічною зміною їх динамічної поведінки, а майбут­­­ня структура визначається випадковими подіями, які можуть викликати зміни оптичної активності і симетріЇ . Додатковим спрямовуючим фак­­­тором могло бути виникнення поляризованого світла при діяльності вул­­­канів, яке активує системи із відповідною поляризацією молекул. Після того, як вибір зроблено, у справу втручається автокаталітичний процес і на основі лівосторонньої структури виникають нові лівосторонні форми.

Наявність дислокацій та домішок призводить до посилення фізичної неоднорідності кристалу. При цьому зростають внутрішня енергія та ент­­­ропія. А ідеальних кристалах такі процеси сприяють тільки їх руйнуван­­­ню,так як немає поглинання надлишка енергії. Збереження і наступна еволюція такої системи, у якій відбуваються незворотні процеси, можли­­­во лише за умови припливу зовнішніх енергії та речовини. Реальні крис­­­тали, які опинилися у подібній біфуркаційній точці, здатні упорядкову­­­вати свою структуру за рахунок утворення розгалуженої сітчатої системи зв'язків, котрі поглинають додаткову енергію. Особливу роль у форму­­­ванні нової стійкої дисипативної структури відіграють атоми азоту, кисню, фосфору.

Для усіх кристалів характерна певна специфічність щодо вбудованих домішкових компонентів: атоми домішок, які мають радіуси, менші за ра­­­діуси атомів матриці, переміщуються в ділянки кристалу із стиснутою решіткою (у нашому випадкові - до центральної осі графіту),а якщо ра­­­діус атому домішки більше радіусу атомів матриці, то він локалізується в ділянках із розтягнутою решіткою (на периферії кристалу). Радіуси зв'язків атому азоту менше відрізняються від таких вуглецю, ніж радіу­­­си зв'язків кисню. Це призводить до того, що атоми азоту заміщуюють вакансії у найбільш викривлених ділянках гексагональної сітки графіту, що може призводити до формування структур типу азотистих основ. Дещо далі від осьової лінії вакансії у гексагональній структурі заповнюють атоми кисню. В результаті утворюються вуглеводи, структурно пов'язані із азотистими основами, так як вони розташовуюються в одному гексаго­­­нальному шарі графіту з гвинтовою дислокацією. Утворення рибози, яка має додаткову ОН-групу, сильніше поглинає внутрішню енергію і тому формування саме цього вуглеводу більш вірогідне, ніж дезоксирибози, тобто можна припустити, що первинною нуклеїновою кислотою була рибо­­­нуклеїнова кислота. Атоми фосфору забезпечують максимальну хімічну стійкість до окислення, але тільки у рідині. Це додатково показує мож­­­ливість виникнення життя саме у зв'язку з водою.

У результаті фізичних процесів і хімічних реакцій уздовж гвинто­­­вої дислокації утворюється полімерний ланцюжок, який має строго періо­­­дичне розташування азотистих основ, вуглеводів і залишків фосфорної кислоти.

­

Таким чином, завдяки наявності різноманітних дислокацій у струк­­­турі реальних ниткоподібних кристалів графіту виникає мінлшива, неста­­­більна компонента, яка приводить систему у біфуркаційну точку, пов'­­­язану із зростанням ентропії. Додатковими індукторами мінливості є зовнішні фактори, особливо такі як температура та іонізуюча радіація, котрі суттєво підвищують лабільність кристалічної решітки графіту.

Якщо надмірна енергія витрачається на утворення додаткових зв'яз­­­ків, то може виникнути стійка дисипативна структура, принципово від­­­мінна від вихідної. Вона буде функціонувати більш надійно і ефективно, так як для її деструкції потрібний сильніший вплив, щоб зруйнувати до­­­даткові зв'язки. Подібні зміни, незважаючи на випадковість порогового переходу, будуть мати ряд обмежень, пов'язаних із структурою та можли­­­востями матриці кристалу графіту. В результаті такий ниткоподібний кристал перетворюється в систему, яку ми називаємо нуклеїновими кисло­­­тами. Структурні зміни кристалу фіксують розмір зовнішнього впливу, його спрямованість (стиснення або розтягнення, вигин або крутіння), швидкість перетворень та інші параметри. Відбувається запам'ятовування характеристик діючих зовнішніх факторів, збереження інформації, ентро­­­пія зменшується.

На периферії кристалу граиіту надлишок енергії також поглинається за рахунок утворення зв'язків атомів азоту і кисню, які в сполученні з воднем формують карбоксильні і аміногрупи, асоцийовані з вуглецевим кістяком. Вони є основою для утворення амінокислот, котрі також полі­­­мерізуються за довжиною кристалу. При цьому, як і у випадку з нуклеї­­­новими кислотами, виявляється певне сполучення детермінованих і випад­­­кових процесів. Випадковість привноситься стохастичністю приєднання атомів до вуглецевого каркасу, а детермінованість визначається самою будовою цього каркасу.

Ниткоподібний кристал графіту може існувати у двох кристалічних модифікаціях - гексагональній (кожен третій шар повторює перший АБ-АБ-АБ...) та ромбоедричній(кожен четвертий шар повторює перший АБВ­­­АБВ-АБВ...). Відповідно з тим, який із типів кристалів графіту перет­­­ворюється, може виникнути дуплетний або триплетний кодон: двом чи трь­­­ом нуклеотидам відповідає одна амінокислота на периферії кристалу.

Вільна енергія гексагонального графіту менши, ніж у ромбоедрично­­­го, тобто він є більш термодинамічно стабільним і частіше зустрічаєть­­­ся у природі. Це дає можливість припустити, що вихідним типом генетич­­­ного коду був дуплетний. Однак різні деформації різко підвищують кон­­­центрацію кристалів графіту із ромбоедричною організацією шарів, на яких міг сформуватися триплетний код. Оскільки кодуючі можливості та­­­кого коду набагато вищі, ніж у дуплетного (64 амінокислоти замість 16), то саме така структура збереглася в ході еволюції. Дуплетні кодо­­­ни могли утворити послідовності ДНК, які у наш час не кодують пептіди (інтрони, "мовчазна", "егоістична" ДНК, мобільні генетичні елементи). Вони формують банк резервних компонентів і суттєво збільшують надій­­­ність функціонування нуклеїнових кислот.

Усі ці процеси ідуть в об'ємі ниткоподібного кристалу графіту і жорстко зумовлені його вихідною структурою, тому формування нуклеїно­­­вих кислот із центральною, найбільш викривленної частини кристалу, і білків із позосталого його об'єму, також буде тісно взаємопов'язаним. Кристал графіту перетворюється на нуклеопротеід, якісно іншу систему із принципово новими ознаками. Вона базується на строгій відповідності між нуклеіновими кислотами і амінокислотами. Виникає генетичний код.

У своєму розвиткові комплекс нуклеінових кислот і білків безпе­­­рервно знаходиться у динамічній рівновазі: зміни структури білків ві­­­дображаються на будові нуклеінових кислот і навпаки. Якщо подібної відповідності немає, то виникає динамічно напружена, нестійка структу­­­ра. Первинні нуклеопротеіди становили типову дисипативну просторо­­­во-часову структуру, яка є реалізацією загальних принципів самооргані­­­зації складних систем. Вона здатна контролювати потоки енергії та ре­­­човини між системою і середовищем, що дозволяє системі знаходитися у стаціонарному стані і підтримувати гомеостаз.

Основний механізм, за допомогою якого здійснюється передача і пе­­­рероблення інформації, по суті є петлею зворотнього зв'язку, тобто не­­­лінійним механізмом. ДНК містить у закодованому вигляді усю інформацію про структуру і функції різних білків, але регуляція активності окрмих ланок ДНК та її реплікація здійснюються за допомогою самих цих білків. Оскільки такі системи відзначаються підвищеною надійністю функціону­­­вання, достатньою складністю і лабільністю, саме вони зберігалися і розвивалися у часі і саме на їх основі могли з'явитися системи з таки­­­ми якостями живого як самовідновлення, самовідтворення, саморегуляція.

­­