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

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.