Страница 20 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

            Существуют молекулы. Они возникают в результате того, что слу­чайный выбор из “нумерованных” атомов запоминается в виде однознач­ных структур. Минимум свободной энергии 4 на рис. 1.2 (приближённо) или крите­рии устойчивости в комплексной плоскости 5 (строго) гаран­ти­ру­ет их устойчи­вость. Поэтому большинство да­же очень сложных мо­ле­кул всего лишь “тупики равновесия”.

            Структуру молекул создают взаимодействия электронных обо­ло­чек составляющих их атомов. Они выражаются тремя типами химичес­ких свя­зей. Наиболее сильная из них – ионная. Следующая по силе – ко­ва­лентная. Более слабая – водо­родная связь. Эти понятия известны из учебников химии (см., например, [43]). Разработаны методы расчёта струк­­туры мо­лекул, протекания хи­ми­ческих ре­ак­ций, определения их конечных и про­ме­жуточных продуктов. В частности, для этого эф­фек­тив­­но исполь­зу­ет­ся термодинамика и такие её понятия как энтропия S и сво­бод­ная энергия G (см., например, [44]). В строгой терминологии фи­зики переменная G есть свободная энтальпия, но в био­логии и в химии её обычно называют свободная энергия.

            Как было подробно объяснено в главе I, энтропия S есть иерархи­чес­кая переменная. Её форма в клас­си­ческом для химии виде [44] не исключает существования меры информации – энтропии – в формах, ко­то­рые от­ве­чают предыдущим ступеням иерархии и отличаются от при­выч­ной энтропии в физической химии. 

            Видно, что ответственные за жизнь вещества определяются атома­ми, у которых заполняются начальные, наиболее простые электронные обо­лоч­ки. Это главный первичный принцип их “выбора” для “осу­щест­в­ления” жизни. Этим – мо­делью ато­мов – зада­ны усло­вия в виде свойств эле­ментов таблицы Менделеева (как системы), ис­ход­ных для воз­ник­но­ве­ния и существования жизни.

            Введу нулевой уровень иерархической энтропии в виде SMen . Ар­гу­мен­том этой энтропии (числом возможных состояний системы – Men  в опре­де­лении энтропии-информации (1.1)) будет чис­­ло воз­мож­ных хи­ми­­чес­ких соединений элементов таблицы Менделеева. Тог­да каждому эле­­мен­­ту таб­ли­­цы Менделеева можно со­­по­ста­вить число Men,e = ne – ко­ли­чест­ву ве­ществ, образуемых на осно­ве данно­го хи­мичес­кого эле­мен­та. На­ту­раль­ный ло­га­рифм этого числа назову энт­ро­пией Менде­леева:

SMen,e = KMen lnMen,e                                        (2.1)

(определение адиабатического инварианта KMen такой энтропии здесь не обсуждается). Энтропия Менделеева определяется числом состояний в 6N-мерном фазовом простран­стве, в котором правила упаковки элект­рон­ных оболочек ато­мов задают свойства индивидуальных веществ.

            При определении энтропии на основе числа возможных хи­ми­чес­ких соединений углерод бесспорно от­вечает мак­си­му­­му, обозначенному SC, такой энтропии:

max SMen,е = SC  = KMen lnMen,C                               (2.2)

– количество образованных на основе углерода со­е­­ди­нений огромно.

Как подчёркивалось в главе I, острота максимума энтропии есть её главная особенность. Для энтропии Менделеева это условие выпол­няет­ся. Положение углерода сре­ди эле­мен­тов таблицы Менделеева (как ре­а­лизация максимума сту­пени иерар­хической энтро­пии (1.25), (1.29)) наде­ля­ет его уни­каль­ными свой­ствами.

            Первое из них есть сама констатация факта, что углерод отвечает максимуму введенной выше энтропии – число возможных на его основе соединений на 5 – 7 порядков вели­чи­­ны больше, чем для прочих элемен­тов таблицы Менделеева. С учётом остроты максимумов энтропии ог­ром­ное число возможных соединений углерода перестаёт быть не­объ­яс­­ни­мым “чудом”.

            Вторая уникальная особенность углерода в том, что никакой дру­гой элемент периодической системы Д. Менделеева, кроме углерода, не может создавать стабильные молекулы со столь разнообразными прост­ранственными конфигурациями и размерами, с таким разнообразием функ­циональных групп. Основа этого – ковалентные связи углерода с другими элементами. Первичная причина этого, опять-таки, условия упа­ковки атомов, отвечающие положе­нию­ углерода в максимуме од­ной из сту­пеней иерархической энтропии.

            Углерод обладает третьей уникальной особенностью:  прочность ко­­валентных связей атомов углерода между собой и с такими элемен­та­ми, как, например, водо­род, кис­лород, азот, сера, фос­фор намного боль­­­­ше, чем для ком­­бинаций ато­мов дру­гих эле­ментов. Причина всё та же.

На ос­но­ве уг­лерода об­разуются мо­­ле­ку­лы, “эле­мен­тар­ны­ми со­с­­тав­­ля­ю­щи­ми” кото­рых яв­­ляютcя большие группы ато­мов. На­при­мер, бел­­ки, “ато­мы” ко­то­рых есть слож­ные мо­ле­ку­лы ­– амино­кис­ло­ты. Или моле­ку­­лы ДНК, сос­та­в­ля­ю­­щие которых – нук­ле­о­ти­ды. Это свой­ст­во уг­­­ле­ро­­да создаёт для его со­е­ди­­­не­ний новый уро­вень иерар­­хии энт­ро­пии-ин­фор­­­­­­ма­ции, осо­бен­­ность ко­торого в том, что в преде­лах со­еди­не­­ний уг­­ле­рода суще­ст­­ву­ет класс ве­ществ и ре­­ак­ций с их уча­стием, ко­­то­рый отли­чает ещё од­но уни­каль­ное свой­ство, из­­вест­ное в био­хи­мии – прин­­цип струк­­­­­тур­ной компле­­мен­­тар­но­сти [45].

Принцип струк­тур­ной ком­пле­ментарности ут­­­­вер­ж­дает, что на ос­но­ве 20 амино­кис­лот (из из­вест­ных при­мер­но 150) и 5 нукле­о­ти­дов (из десятков других) воз­мож­ны це­поч­ки до 20 поcле­до­ва­тельных ката­ли­тических ре­ак­ций, в которых прак­тически без отхо­дов продукты одних ре­ак­ций ис­пользу­ют­ся в сле­­ду­ю­щих. Имен­но эти ами­но­кис­лоты и ну­к­лео­тиды есть глав­ная сос­тав­­­ля­ю­щая форм жиз­ни на Зем­­ле (см. рис. 2.2).

В этом надо сделать оговорку. Конкретная длина молекул РНК и ДНК может быть различной. Разной длине молекул отвечает разная аб­со­лютная величина свободной энергии. Выше подчеркивалась одинако­вость свободной энергии для групп молекул РНК или ДНК в том случае, когда она осреднённо отнесена к одной связи или к одной их группе. Ана­логично разные нуклеотиды в РНК и ДНК имеют разные энергии связи между собой. И по отношению к ним вышеизложенное должно со­дер­жать оговорку об осреднении.

            Синтез по схеме рис. 2.2 ответственных за жизнь простейших ис­ход­ных веществ, использует выделенные рамками на рис. 2. 1 элементы таблицы Менде­ле­ева. Тот факт, что они оказываются пригодными для возникновения жизни задаёт случайность, ограниченная условиями на предыдущем по отношению к жизне уровне иерархии энтропии-инфор­мации. Химические элементы, участ­вующие в таких случайностях, мо­гут быть толь­ко трёх ви­дов:

эле­мен­ты, на основе которых возможно существование жизни;

элементы, ко­торые безразлично совместимы с жизнью;

элементы, не сов­ме­стимые с жизнью, разрушающие её.

Посмотрите на рис. 2.1. Элементы, кото­рые при попадании в жи­вой организм становятся ядами – это литий (Li),  бериллий (Be), фтор (F). Менее выражен как яд – бор (В) Ток­сич­ность этих эле­ментов имеет при­чи­ной их сходство с теми, которые важ­нейшие для жиз­ни. Они могут всту­­пать в такие же реакции, но бло­кируют их про­должение (уничто­жа­ют жизнь), так как малые отличия возни­ка­ющих с их уча­стием продук­тов блокируют работу принципа структурной комплементарности. Они ста­новятся ядами именно потому, что по­добны “живым про­дук­там”. В чет­вертом периоде таблицы Менде­ле­ева подобными свойствами и по та-кой же причине обладает аналог азота и фосфора с бльшим числом энер­­­гетических уровней – мышьяк.

Алю­миний (Al) и, отчасти, крем­ний  (Si) безразличны для жизни. Как правило, это означает, что невозможны реакции с участием таких веществ, которые подобны “живым”. Галлий и германий продолжают эту тенденцию в четвёртом периоде. Сохраняется она и дальше у индия и олова. Но таллий и свинец получают свойства изощрённо действую­щих ядов. В них искажены исходные симметрии первых трёх периодов таблицы Менделеева – даже слабо де­фектные по форме “кирпичи” не­при­­годны для фундамента многоэтажой постройки.

            Более сложные d-элементы из-за заполне­ния внутренних оболочек теряют исходную простоту шестимерных сим­мет­рий первых трёх пери­о­дов таблицы Менделеева. Однако и среди них повторяются те же три ва­ри­анта случайностей. “Положительный” итог среди них ме­­нее ве­ро­­я­­тен, чем в первых трёх периодах. Наиболее важные такие ис­клю­­че­ния – железо и медь. В образовании жизни f-элементы участвуют скорее как исключения. К этим элементам без­разли­чие жизни достигается да­ле­­ко не всегда. Эта­ло­­ном инертности по отношению к жизни является зо­лото, но с ним соседствует ртуть, токсичность которой общеизве­стна.

Случайность, ограниченная условиями, остаётся важнейшим и для по­следующих физико-химичес­ких этапов возникновения и эволюции жиз­ни. В частности, синтез информации при образовании РНК и ДНК (как классов мо­ле­кул) приводит к случайности их конкретных форм. В этом главное отличие молекул, которые называют носителями ге­не­ти­чес­­ко­го ко­да.  В них не только нет какого-то кода или инфор­ма­ции  a priori – они ещё (в отличие от всех других молекул) не имеют од­но­значной фор­мы, а случайно разные!  Но именно это требуется для того, чтобы они мо­г­ли стать основой для синтеза в них информации (см. главу I) – создать способность дальнейших превращений, в данном случае, иерархический синтез генетической информации.

Из примерно сотни элементов таб­ли­цы Менделеева, присут­ст­ву­ющих в зем­ной коре, всего 22 входят в состав живых организмов и только 16 уни­вер­сальны для всех их видов и форм. Случайность, ог­ра­ниченная ус­ло­виями, и запоминание есть самое глав­ное для воз­ник­но­ве­ния и эво­­люции жизни. Это заложено даже в её аб­со­лютно нежи­вой ос­но­ве в ви­де таблицы Менделеева. Распространённость в неживой при­ро­де тех или иных элементов отношения к этому не имеет. Мала она или велика – жизнь использует в нужных для себя пропорциях то, что есть.

            Как подчеркивалось в первой главе, энтропия есть количественная мера беспорядка. Если среди этого беспорядка выбран единственный эле­­мент, то этим выбором ус­т­ранена неопределённость, созданная бес­по­­ря­дком – мера не­оп­ределен­ности стано­вит­ся мерой ин­фор­мации, со­дер­жащейся в выбранном объекте. Ог­ром­ное число возможных соеди­не­ний углерода есть основа, на которой подсчитывается количество ин­фор­мации о первичной неживой основе для возникновения жизни. В составе этой информации со­дер­жится как собственно информация, так и семан­ти­­ческая информация – действие физических и химических за­ко­нов. Кри­терии синтеза ин­формации 5 на рис. 1.2 задают их соот­ношение, ко­то­рое отображает семнатический коэффициент (1.30).

            В природе совершает выбор – устраняет неопределённость – физи­чес­кий процесс одного из видов рис. 1.2, 1.4, вы­де­ляющий тип элементов си­с­темы (кон­крет­ные РНК или ДНК) из всех остальных. Устойчивость это­го процесса (запоминание) пре­в­­ращает ве­ли­чи­ну беспорядка в ко­ли­чество информации, содержащееся в РНК или ДНК. Статически равно­вес­ные (в пределе) молекулы РНК и ДНК управляют метабо­лизмом – ди­на­мическими процессами, включающими в себя динамичес­кое равно­ве­сие, а также производство энтропии и энергии. В частности, по­ня­тие – ге­­нетическая информация – мо­жет быть основой дальнейшей иерар­хии энтропий потому, что мо­­ле­ку­лы РНК и ДНК обладают гетеро­ка­тали­ти­чес­кими свойст­ва­ми.

Оп­ре­де­ле­ние – гетерокаталитические свойства или действие ДНК и РНК – озна­ча­ет, что эти молекулы могут управлять сложными мно­­­­го­сту­­­пенчатыми ре­акциями, в которых не только их собственные уча­­ст­ки являются ката­ли­заторами, но, например, ДНК может ката­ли­зи­ровать ре­ак­ции с уча­с­ти­ем РНК как промежуточных агентов. В комплекс ге­­тероката­ли­зи­ру­е­мых реакций входит самовоспроизведение ДНК.

Необходимо отметить, что собственно катализаторами в этих про­цес­сах участвуют белки (фермен­ты) [46], [47]. В современном мире все они сите­зи­руются с участием нукле­и­новых кислот. Но существуют экс­пе­­ри­мен­тальные доказательства синтеза белков из богатых энергией про­­из­вод­ных аминокислот, который происходит без участия нуклео­ти­дов. Экс­периментально показано также, что полинуклеотиды могут син­те­­зи­ро­ваться неферментативным путём. В этом не всё достаточно ис­сле­довано, но такие процессы могли быть суще­ст­вен­ными при предбио­ло­гической эво­­­люции. В кислородной атмосфере абиогенные синтезы бел­­ков и нуклеотидов блокируются. Присутствие развитых форм жизни до­пол­нительно приводит к уни­ч­то­же­нию подобных продуктов как пи­щи для сущест­ву­ющих живых организмов.

Принцип структурной комплементарности га­ран­тирует при гетеро­ка­тализе существование промежуточных продуктов ре­ак­ций и их комп­лекс­ность, необхо­ди­мую для самовоспроизведения молекул РНК или ДНК – молекулы РНК и ДНК могут раз­­м­ножаться.

Принцип структурной комплементарности задан экстремумом ступени роста иерархической энтропии (ряд (1.29)) на уровне “энтропии Менделеева”. Но как бы не был он острым, его описывает интервал на оси аргументов. Условия неизбежно изменяют его положение. При воз­ник­новении жизни они отличались от современных по тем­пературе и давлению Состав преобладающих веществ в окружающей среде при возник­но­ве­нии жизни отличался от современного. Принцип структурной компле­мен­тарности при возник­новении жизни действовали так же, как и се­год­ня. Но длина без­от­ход­ных цепочек и образующие их конкретные реакции не были тождественными тем, которые доминируют сегодня.

Саморазмножение есть то решающее свойство, которое отличает жизнь. Однако химия в целом (как область науки) – это есть описание “раз­множения”  мо­ле­кул. Отличие обыч­ного понимания химических тех­но­логий от химии жизни в том, что в технологиях для воспроиз­вод­ства молекул данного вида необходимо за­дать в нужной последо­ва­тель­ности нужные про­дукты и условия. В от­ли­чие от этого, для раз­мно­же­ния мо­ле­кул РНК и ДНК извне требуются специ­фи­чес­кие продукты и ус­ловия для начала реакций. В силу прин­ци­­­па структурной ком­пле­мен­тарности боль­шин­ст­во последую­щих про­дуктов они мо­гут для себя создать сами. Дли­на без­отходной цепочки в принципе структурной комплемен­тар­но­с­ти и много­об­разие результатов её реализации мо­гут уве­личиваться в процессе эво­лю­ции жизни – она не должна и не может возникнуть сразу в её сов­ре­мен­ном виде.

Повторю. Последовательность иерархических максимумов энтро­пии на уровне образова­ния ядер атомов химических элементов и их электронных обо­ло­чек при­водит к уникальному положению углерода (как хи­ми­чес­ко­го элемента) среди других элементов. Поэтому уни­каль­ны и свойства его соединений. В условия, ограничивающие связанные с этим случай­но­с­т, входят экстремумы энер­гии. Их учитывает семантичес­кая информация (в терминах гла­вы I). Она свя­за­на с понятием об энтро­пии как функции комплексного переменного. В таком анализе син­тез информации как запоми­нание в данных условиях случайного выбора на основе кри­те­риев ус­той­чивости содержит в себе механизмы, регули­ру­ющие соот­но­шение физических законов и случайностей в полученном результате. Итогом иерар­хической последовательности синтеза инфор­ма­­ции являются РНК и ДНК как классы химических соеди­не­ний. Их раз­ные слу­чайные струк­туры могут реализо­вать­ся, в частности, при од­­ном и том же мини­му­ме сво­бод­ной энергии. Созданный этим новый класс слу­чай­ностей и условий есть важней­шее для пере­хода от неживой к живой при­ро­де. В неживой природе ми­нимумы сво­бод­ной энергии да­ют од­но­знач­ные формы молекул (с точностью до су­ще­ствования зеркальных изо­меров). Жизнь основана на классах хими­чес­ких сое­ди­нений (РНК, ДНК), для кото­рых прак­ти­чески одинако­вая величина минимума свободной энергии разре­ша­ет случайность их форм.

Гетерокаталитические свойства РНК, ДНК и принцип струк­тур­ной комплементарности не есть удачная необъяснимая случайность. Их зада­ёт статус углерода в таблице Менделеева как максимума энтропии  SMen . Это дополняет роль мини­мумов свободной энергии на этапах син­те­за хи­ми­­ческих со­единений, которые предшест­вуют обра­зо­ва­нию слу­чай­ных форм РНК и ДНК. Такая ситуация отражена в природе тем достоверно из­­вест­ным фак­­том, что амино­кис­лоты, из ко­то­рых строятся белки, мо­гут син­те­зи­роваться абио­­ген­но. Это же относится ну­клеотидам, необ­хо­ди­мым для син­теза РНК и ДНК, но с оговорками о неполноте условия в экс­периментах по проверке их абиогенного синтеза. Процессами пред­би­о­логической эволюции управляют критерии ус­той­чивости в комп­лекс­ной плоскости энтропии-информации.

Поэтому “первичный бульон”, в ко­то­ром зароди­лась жизнь на Зем­ле, неиз­бежно абиогенно содержал продукты, необ­хо­димые для синтеза РНК и на­чала их самовоспроизведе­ния. В определённых внеш­них усло­ви­ях эти продукты синтези­рую­тся законо­мерно, в огромном разно­об­ра­зии, а не как редкое исключение. Это до­казано экспериментально дав­но и повто­рять описание класси­чес­ких экспериментов С. Миллера 1953 г. нет необходимости, так как оно есть в большинстве учебников био­логии и био­хи­мии. Однако неизвестны точные в деталях условия, которые были при возникно­ве­нии жизни на Земле. Поэтому исключения в опытах Миллера относятся к тем, которые только подчёркивают правило.

В этой работе я утверждаю, что шестимерные сим­метрии (см. гла­ву VI этой книги) и прин­цип струк­­тур­ной комплемен­тар­но­сти делают в специфических высокотемпе­ра­тур­­ных условиях вероятным син­тез по­ли­­нук­ле­о­ти­дов без учас­тия фер­мен­тов. Это за­даёт преимущественное на­­­п­рав­­­ле­­ние про­­цессов в сторо­ну воз­ник­­но­ве­ния жизни. Поэтому за­ко­но­­мерно и с вы­со­кой ве­ро­ят­но­с­тью сущест­вуют необходи­мые де­­та­­ли (пока неизвестные), га­ран­тиру­ю­­щие син­тез нук­ле­оти­дов и по­линуклео­ти­дов.

Процесс на­­­коп­ления на Земле предбиоло­ги­чес­ких органических ве­ществ ди­нами­ческий. Их синтезу про­ти­вопостав­лены про­­­цессы раз­ру­ше­ния, напри­мер, фотодест­ру­к­ция и гидролиз. Однако синтез ор­га­ни­чес­ких соеди­нений про­­ис­хо­дил не толь­ко в ат­мо­сфере, но и в недрах Зем­ли. Эти продукты поступали в атмосферу в ре­зуль­тате (как упо­ми­налось вы­ше) вулка­ни­чес­кой деятельности, которая на первич­ных этапах су­щест­во­вания Земли была более интенсивной, чем сейчас.

Дос­товерно, что одно извержение вулкана может дать до тысячи тонн ор­ганических веществ. Вулканы могут существовать до  100 тысяч лет. Примерно за мил­лиард первых лет существования Земли могло об­ра­зоваться ко­личество орга­нических веществ порядка 1012 – 1013 тонн. Это, отнюдь, не мало даже с учётом неизбежных про­цессов их деструк­ции. Нельзя иг­но­рировать и, например, тот достоверный факт, что на не­ко­торых пла­нетах Солнечной системы или у их крупных спут­ников ат­мо­сфера пре­и­му­щественно азот­но-метановая-водородная. Это даёт дос­то­верные при­ме­ры суще­ст­вова­ния больших количеств орга­ни­чес­ких со­е­ди­нений на “неживой” стадии эволюции планет.

Для возникновения жизни необходим “крепкий” бульон, но он не обя­­зательно должен быть однородным в планетарных масштабах. Дос­та­точ­но, чтобы он существовал относительно длительное время хотя бы ло­кально. Зоны актив­ной вулканической деятельности даже сегодня соз­да­ют такие ус­ло­вия. На начальных стадиях геологической эволюции Зем­ли их было боль­ше и существовали они дольше. Схе­ма рис. 2.3 со­дер­­жит в себе аналогии с существующими сегодня прос­тей­ши­ми форма­ми жизни. Реально в ней должна быть больше подчеркнута роль в воз­ник­новении жизни серы и её соединений, окисления металлов.

Важнейшая особенность химической эволюции, предшествую­щей возникновению жизни, состоит в том, что она происходила в усло­ви­ях, которые несопоставимы с существующими сегодня. Преж­де всего, это более высокие температуры и давления. Жизнь обязательно должна была возникнуть на основе комплекса аминокислот и нуклео­ти­дов, отли­чав­ше­гося в деталях от существующего в живых системах се­год­ня – он преемственный, может содержать частично одинаковые ком­по­ненты, но он не полностью тождественен сегодняшнему.

Принцип структурной компле­ментарности есть отображение иерар­­­­­хических экстремумов энтропии и её производства. Его реализация есть синтез информации – запоминание случайного выбора, ограничен­но­го условиями. Они при возникновении жизни заведомо не те, что сей­час. Соответственно должны быть отличия в результате. После воз­ник­новения жизни условия изменялись (в том числе в результате её суще­ст­вования). Возникали новые условия для случайностей. Менялся выбор из них. Запоминание в этом выборе определяло размножение форм жизни. В этом процессе за относительно большое время неизбежно менялся комплекс тех веществ, которые могли поддерживать жизнь в но­вых ус­ловиях. Всё, что говорится в этой главе о первичном бульоне, надо по­нимать в таком смысле. Питательные среды современной микро­би­о­ло­гии не были и не могли быть 3,8 миллиарда лет назад основой возник­но­вения жизни, так как тогда условия и состав среды были иными.

Химическая основа жизни не возникла одномоментно в закон­чен­ном современном виде. Принцип взаимокомплементарных аминокислот, нук­ле­о­тидов и других необходимых для жизни веществ действовал и при возник­но­вении жизни. Но физико-химические условия были другие, а по­то­му были другими результаты запоминания случайного выбора – эво­лю­­ция условий сопровождалась эволюцией химических основ жизни. Существо и направление этой эволюции – увеличение длины безотход­ных цепочек реакций, рост возможностей дальнейших превращений.