|
|
Страница 20 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наукаСуществуют 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 lnMen,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 lnMen,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 бльшим 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. Категория: Библиотека » Философия Другие новости по теме: --- Код для вставки на сайт или в блог: Код для вставки в форум (BBCode): Прямая ссылка на эту публикацию:
|
|