Страница 24 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен

Генетическая информация в РНК и ДНК должна возникнуть самопроизвольно. Для этого в природе должна реализоваться цепочка синтеза информации, сформулированная в главе I. Составляющие этой цепочки в виде условий и случайностей были пояснены выше. Однако для синтеза информации необходимо ещё запоминание.

В главе I я рассказал о самоорганизации хаоса и конкретном виде тех критериев устойчивости, которые при этом гарантируют запоминание: максимум энтропии для статических задач, принцип минимума производства энтропии Пригожина для динамических задач вблизи равновесия и другие критерии устойчивости (см. 3 – 5 на рис. 1.2). Поскольку роль семантической информации на старших ступенях иерархии энтропии-информации остаётся, то при возникновении трудностей и парадоксов требуется переход к более общему критерию 5 на рис. 1.2.

Однако для описания синтеза генетической информации (как составляющей возникновения и эволюции форм жизни) только процессы вида 1 – 5 рис. 1.2 недостаточны. Они приводят к тупикам равновесия, а жизнь эволюционирует, самопроизвольно создает последовательно новые возможности роста энтропии-информации. Критерий устойчивости, который гарантирует запоминание таким образом, чтобы оно разрушало тупик равновесия, также был рассмотрен в главе I (см. условие (1.5) и рис. 1.3, 1.4). Это синтез информации на основе принципа максимума производства энтропии. Рассмотрю первичные этапы возникновения жизни на Земле теперь в той их части, которую определяет принцип максимума производства энтропии.

В “первичном бульоне” абиогенно синтезирован хаос разных молекул РНК. Этот “бульон” высокотемпературный, при высоком давлении, насыщенный серой и её соединениями. Содержание в нём кислорода ничтожно. В нём РНК существуют равновесно в данных условиях. Эти молекулы могли использовать поверхность грунта как “среду обитания”. Предполагается, например, что соединения кремния в составе глин могли выполнять функции “матриц”, участвующих в образовании РНК [48]. Кремний – сосед углерода по периодической системе элементов, а потому подобное возможно (хотя и не кажется необходимым).

Последовательности кодонов в РНК случайны. Вероятность того, что в данной РНК следующее звено в её цепочке будет нуждаться для катализируемых им реакций именно в продукте данного предыдущего звена, весьма мала – самовоспроизведения нет. Есть некий сложный очередной тупик равновесия со своим весьма значительным беспорядком – большой величиной энтропии, вычисленной на основе числа возможных комбинаций кодонов в разных РНК.

Однако в “первичном бульоне” есть продукты, необходимые хоть для каких-то единичных реакций, гетерокатализируемых с участием РНК. Кроме того, условия, налагаемые принципом структурной комплементарности (предыдущими “неживыми” ступенями иерархии энтропии-информации) гарантируют, что для продуктов любой единичной реакции с участием РНК всегда может найтись другая РНК или другой участок данной РНК, для которых они необходимы – позволяют завершиться ешё каким-то реакциям.

Законы химии требуют, чтобы эти реакции шли в последовательности расположения кодонов в РНК. Новые реакции опять производят продукты, гарантированно пригодные для последущих реакций (хотя и не обязательно возможных для данной РНК). Если они возможны, то процесс гетерокатализа идет как на конвейере, цепочкой, соответствующей последовательности в РНК троек нуклеотидов – кодонов.

Поэтому случайно, но с вероятностью, которая всё время растет, в “бульоне” может возникнуть такая РНК, которая способна гетерокатализировать именно ту единственную последовательность реакций и их продуктов, которая необходима для её самовоспроизведения – размножения.

Важно подчеркнуть. Продукты, катализируемые с участием разных РНК, потенциально пригодны для реакций, перекрестных по типам РНК. Хотя я и дальше для сокращения использую слова – единственная РНК – это не обязательно именно так. Реально в большинстве случаев саморазмножение “единственной РНК” включает в себя комплекс многих взаимодействующих РНК и продуктов их реакций. Процессы происходят в макроскопическом водоёме. Симбиоз разных взаимодействующих РНК случаен и эфемерен. Но запоминание путём размножения происходит для “взаимополезных” РНК.

С учётом сформулированной выше оговорки, выбранный этим комплекс РНК – единственный. Самовоспроизведение есть синоним запоминания. Возник новый элемент системы с новыми законами взаимодействия как с окружением, так и со своими копиями. Это есть переход на новую ступень иерархии энтропии-информации, сопровождающийся разрушением очередного тупика равновесия. Поясню.

Особенность РНК – участие в её существовании слабых химических связей. Поэтому невозможно на длительное время запомнить её статически, как сохраняются миллиарды лет, например, граниты. Запоминания должно быть динамическим – размножением. В запомненной (способной к размножению) РНК “спрятан” предыдущий беспорядок.

Количество информации, которое содержится в новой РНК, равно логарифму числа всех возможных комбинаций последовательностей групп нуклеотидов в тех РНК, из которых размножение выбрало единственную. Но энтропия, вычисленная на основе этой единственной РНК как целого – есть нуль. Ведь эта РНК пока единственная. Число возможных комбинаций на её основе – единица. Логарифм единицы нуль.

В главе I было подчеркнуто, что понятие информации как физической переменной с точностью до знака можно описывать как в терминах максимума беспорядка, так и классически, как неопределённость, устранённую при выборе конкретного элемента среди этого беспорядка.

Выбранный объект объединил в себе часть элементов системы, существовавших до его возникновения. Энтропия системы (вычисленная для новых объектов) уменьшилась – возник минимум энтропии. Такое состояние статически неустойчиво. Поэтому энтропия системы в целом, если позволяют условия, может расти. Простейший путь для этого – увеличение в ней числа новых элементов. Но ведь запоминаться должна именно та РНК, которая способна к размножению, к тождественному самокопированию. Она и размножается.

Система забыла о своем прошлом, забыла об энтропии, которая описывала её в прошлом. В ней появились новые элементы. Энтропию теперь надо вычислять на основе числа возможных комбинаций новых элементов – для размножающихся РНК. С ростом числа этих элементов для системы в целом новая энтропия растет.

Так как молекулы – носители генетического кода – существуют за счет относительно слабых химических связей, то размножение единственной РНК сопровождается ошибками – растет не только энтропия системы в целом, но и энтропия “единицы объёма” системы. Возникает новый хаос. Теперь это хаос РНК, каждая из которых способна к самовоспроизведению. Запоминание на основе принципа максимума производства энтропии становится источником новых элементов системы, новых случайностей для них и повторения цикла синтеза информации (как на рис. 1.4).

Для запомненной РНК (на более поздних стадиях эволюции – ДНК) пространственная последовательность кодонов, как инициаторов гетерокаталитических реакций, превращается (с помощью веделяемых в этих реакциях продуктов, законов их диффузии и других форм транспорта) в последовательность реакций во времени и в пространстве. Связь химических и физических процессов, запомненная на основе принципа максимума производства энтропии, действующего при размножении молекул, превращает специфические молекулы на основе углерода в носителей генетического кода. Это и есть возникновение жизни.

Граница между живой и неживой природой “маркирована” не перечнем наблюдаемых свойств объектов, а конкретным иерархическим этапом синтеза информации. В нём участвует принцип максимума производства энтропии. Жизнь не есть явление, “первые принципы” которого отличны от неживой природы! Объединяет живую и неживую природу синтез информации как самопроизвольный процесс. “Первые принципы” живой и неживой природы одинаковы. Детали – различны. В этом всё дело! Общие принципы – разные реализации! Жизнь не есть маловероятная флуктуация. Её возникновение и эволюция есть воспроизводимое отображение глобальных законов природы.

Новые формы жизни возникают вне всякой оптимальности как “уродства”, которые выжили (1 на рис. 2.5). Само выживание в этом случае есть критерий возникновения принципиально нового. В частности, оно свидетельствует о существовании для нового экологической ниши (6 на рис. 2.5). Новое в таком смысле есть синтез информации на основе принципа максимума производства энтропии.

Дальнейшая эволюция идёт по пути оптимизации в данной экологической нише. Это и есть дарвиновский естественный отбор. Возникают виды, которые более приспособлены (2 и 3). В этом процессе вымирают какие-то виды 4. Другие – накапливают приспособительные признаки (в пределах исходных ограничений для первично возникшего вида 1) и переходят в другую 7 экологическую нишу. Такие новые виды могут быть отличными по признакам, которые бросаются в глаза человеку, но имеют второстепенное значение для метаболизма и взаимодействий с окружением. Они есть результат дарвиновского естественного отбора. С его помощью эволюция приближается к оптимуму динамического равновесия с окружающей средой – к тупику равновесия в форме большого или малого числа видов с общими особенностями метаболизма и физиологии.

При таком отборе накапливаются отклонения от оптимальности. Среди них встречаются как совместимые с выживанием, так и приводящие к гибели. Если рядом имеется свободная экологическая ниша, недоступная для использования оптимизированными видами (или она возникла вновь в силу изменения внешних условий), то на базе “уродств” (изменений неоптимальных или даже летальных в старых экологических нишах) возникает скачкообразный переход, который создаёт новую плоскость синтеза информации и опять выживание выживающих. Создание новых плоскостей управляется принципом максимума производства энтропии (максимума способностей к превращениям).

Возникновение и эволюция жизни есть один из закономерных этапов общей эволюции Вселенной. И в неживой природе все решающие этапы регулирует принцип максимума производства энтропии (это подробно рассмотрено в [2] – [12]). Но в неживой природе возникновение принципиально нового происходило на очень далёких от нас уровнях иерархии энтропии-информации типа образования “элементарных частиц”, атомов и подобного. Поэтому использование принципа максимума производства энтропии как “маркера границы” между живой и неживой природой практически допустимо, хотя этот принцип важнейший и в неживой природе.

Нет полумистического кода, который “с целью” возникает откуда-то “свыше”. Есть внешние и внутренние условия, которые налагаются на возможные химические реакции и физические процессы транспорта продуктов для конкретного класса случайных энергетически равноправных молекулярных структур на основе нуклеиновых кислот (РНК, ДНК и продуктов, гетерокатализируемых с их участием). В результате случайно, однако с немалой вероятностью (ведь во всём этом участвуют однозначные законы и принцип структурной комплементарности) выбирается та единственная структура, которая способна сама себя обеспечить продуктами и их транспортом. О том, что она возможна и возникла, сообщает запоминание в виде её размножения. Размножение создает экологические проблемы и с их помощью уничтожает промежуточных “свидетелей” или ограничивает их размножение.

Этот комплекс процессов есть синтезированный генетический код. Его существование задано невозможностью синтеза аминокислот с помощью единственного нуклеотида. Запоминание данного кода обеспечивает устойчивое самовоспроизведение подобных друг другу организмов (или предшествующих им переходных для жизни систем). Решающее в этом – саморегулирующиеся жизнью внешние условия. Однако если нет в окружающей среде необходимых начальных условий, то молекулы РНК или ДНК существуют, кодоны в них можно пересчитать и пометить, но они тогда не есть код.

Иерархия синтеза информации на основе специфических соединений углерода – это и есть возникновение и эволюция жизни. Без случайностей информации нет и быть не может. Без запоминания новая информация возникнуть не может – синтеза информации нет. Нет информации – нет и её иерархии. Без конкретных условий для каждого шага иерархии не только невозможен синтез информации, но и невозможно её “прочтение”.

Отличие той формы биомолекулы РНК или ДНК, которая стала носителем генетического кода, не в специфике её энергетического состояния (которая была бы важна, если бы её “создавали” с целью быть “магнитофонной лентой” или “лазерным диском” некие “Космический Разум”, “Силы духовной природы”, “Боги” и подобное), а в том, что её ненадёжная, изменчивая химическая и пространственная структура в данных температурных, барометрических, химических, радиационных условиях случайно отвечает возможности замкнутого цикла реакций, необходимых для самовоспроизведения – запоминания. Задумайтесь над тем, насколько шизофренными должны были бы быть “Космический Разум” или “Силы духовной природы”, если бы, располагая материалами типа алмаза, они поставили бы себе “цель” создать извне, вопреки второму началу термодинамики генетический код на основе носителя типа жвачки или пластелина, на которых обязательно и самопроизвольно “заплывает” любая надпись.

Переход к использованию иерархических плоскостей синтеза информации делает палеонтологическую шкалу более содержательной. На ней тогда время есть параметрическая переменная и выделено соотношение семантической и собственно информации (вклада однозначных физико-химических законов и запомненного выбора из случайностей). Важно подчеркнуть, что энтропия-информация и семантическая информация (связанная со свободной энергией) на осях координат плоскостей этой шкалы не есть энтропия и свободная энергия для ДНК (РНК), известные из физико-химических измерений. Энтропия-информация в этом случае есть логарифм числа возможных ДНК (РНК), из которых запоминание выбрало единственную, ответственную за данную таксономическую градацию. Участие семантической информации в коэффициенте  (cм., (1.30)) в этих координатах отражает долю однозначных физико-химических законов во внутренних и внешних взаимодействиях таксономического вида.

Определение таких плоскостей непривычно и непросто. Детально разместить конкретных представителей таксономических градаций на этих плоскостях – это работа на многие годы для сотен узких специалистов. Поэтому изображенная в этой книге палеонтологическая шкала в виде плоскостей синтеза информации исключительно важна, но конкретно имеет иллюстративный характер.

Страница 24 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука