|
Страница 25 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наукаИерархия энтропии-информации, основанная на принципе максимума производства энтропии, даёт достоверный способ установить особенности первых этапов эволюции жизни на Земле. Дело в том, что прокариотическая клетка – объект уровня иерархии Spro,g – должна содержать в себе как целое элементы и процессы предыдущих уровней иерархии. Они были в “первичном бульоне”, но окаменевших палеонтологических следов не оставили.
Этим существующие сегодня прокариотические клетки утверждают палеонтологический факт – безоболочечные агрегаты с разными вариантами взаимодействий, типа реализованных внутри прокариотической клетки, это есть “первичный бульон” в макроскопическом водоёме (как геологической формации). Этот “первичный бульон” является “живой” системой в том смысле, что в нём разные РНК взаимодействуют случайным образом между собой и с более низкомолекулярными продуктами, в частности так, что некоторые из них (или их комплексов) могут воспроизводить сами себя. В “первичном бульоне” (как уровне иерархии жизни) разнообразие взаимодействий безоболочечных агрегатов намного выше, чем в прокариотической клетке – весь водоём есть одна общая “живая клетка”. Среди этих взаимодействий много таких, которые не приводят к самовоспроизведению РНК. Их взаимные реакции и продукты существуют в “бульоне” некоторое время, случайно взаимодействуя с другими продуктами и реакциями. В разных водоёмах и в разных областях одних и тех же водоёмов эти продукты и реакции различны. “Бульон” насыщенный. Абиогенные процессы непрерывно подпитывают его органическими соединениями. Поэтому, хотя циклы, приводящие к самовоспроизведению РНК, эфемерны во времени, они существуют в тех областях и столько времени, сколько в них сохраняются неизменными условия – “тупик” динамического равновесия. Если геологическую изоляцию водоёма заменить автоизоляцией с помощью липидной мембраны (как результатом взаимодействий первичных веществ и продуктов гетерокатализа с помощью ДНК, РНК), то возникнет объект (клетка), которая гарантирует консерватизм условий, необходимых для своего самовоспроизведения. Запоминание станет эффективным. Это и означает свершившийся факт синтеза информации о прокариотической клетке. Её малые размеры заданы, в частности, силами типа поверхностного натяжения. Однако напомню. Тот реальный “бульон”, в котором жизнь возникла как первичный переход от неживой природы, был высокотемпературный и при высоком давлении. Его конкретный состав отличался от того, который представлен в большинстве современных прокариотических клеток. Поэтому палентологические следы первичного самозарождения жизни из неживой природы следует искать в экзотических клетках, обитающих в восстановительной высокотемпературной среде с большой концентрацией серы. Прокариотические клетки современных бактерий дают в этом лишь аналогию. Решающий скачок, который создал прокариотическую клетку как элемент следующего иерархического уровня синтеза информации о жизни, есть её внешняя оболочка – биологическая мембрана. Эта мембрана в прокариотической клетке единственная. Её основу составляет результат синтеза и агрегирования липидов
Возникновение биомембран связано с экологическими обстоятельствами. Обязательное воздействие на окружающую среду, известное как экологические проблемы, есть одна из важнейших особенностей жизни. В частности, безоболочечные самовоспроизводящиеся агрегаты должны изменять экологию “первичного бульона”. Гидрофильность и гидрофобность разных сторон липидных слоёв вызывает энергетический выигрыш при агрегировании липидов в биомембрану. Его величина зависит от состава среды. Безоболочечные агрегаты в “первичном бульоне” производят промежуточные продукты. Они диффундируют в окружающую среду. Возникают градиенты концентрации промежуточных продуктов. Поэтому в “первичном бульоне” в окрестности безоболочечных агрегатов обязательно существовали такие замкнутые поверхности, на которых постоянна концентрация этих продуктов и её градиент. Их форма по элементарным соображениям близка к шаровой или эллипсоидальной. С высокой вероятностью на таких поверхностях возникали условия, способствующие агрегированию на них липидов как на “опалубке”. Его поощряют энергетические причины. При случайном синтезе замкнутой оболочки возникает запоминание даже единственной такой случайной комбинации, если она способна к самовоспроизведению. Возникновение мембраны-оболочки, замыкающей внутри себя поддерживающие её составляющие “первичного бульона”, есть скачок перехода на новую иерархическую ступень синтеза информации. В “первичном бульоне” синтез информации преимущественно подчиняется критериям запоминания рис. 1.2. Возникновение биомембраны, а с ней и прокариотической клетки является синтезом информации на основе принципа максимума производства энтропии. Вирусы не есть переходные промежуточные этапы эволюции между неживой природой и живой клеткой. Их возникновение и эволюция определены интервалом времени сосуществования прокариотической клетки и “первичного бульона”. Их создал в этих условиях обычный дарвиновский естественный отбор. Нашлись в “первичном бульоне” компоненты, которым возникновение прокариотической клетки создало условия для отбора по критерию симбиоза с ней. Этот симбиоз преимущественно антагонистический, то есть приводит к размножению вируса и в результате к гибели клетки-хозяина. Это именно симбиоз как совместное существование, но его называют – паразитизм, так как обычно термин симбиоз подразумевает только идиллическую взаимную пользу. Как подчёркивал С.М. Гершензон и другие исследователи, вирусы играют в эволюции жизни большую роль, так как могут переносить вместе с собой между клетками относительно крупные участки ДНК. Такой перенос есть источник новых случайностей, ограничительным условием для которых является функциональная завершённость переносимых участков ДНК.
Любое вещество, любой вторичный продукт химических реакций обладает своими физическими свойствами. Поэтому важнейшим неизбежным результатом перехода от “первичного бульона” к клетке, имеющей оболочку, был физико-химический процесс – “естественный отбор” продуктов, которые поступают в клетку и выделяются ею. Современная клетка в роли “палеонтологического свидетеля” иллюстрирует принципы осуществления этого отбора. Конкретно такой иллюстрацией является процесс поглощения клеткой из окружающей среды необходимых ей специфических продуктов (в том числе не только простейших, например, глюкозы или аминокислот), но и таких сложных, как белки). Он называется пиноцитоз В основе пиноцитоза неизбежное по энергетическим соображениям включение в мембрану случайных молекул (в частности, таких, как белки) из окружающей среды. Они становятся основой высокой избирательности при переносе продуктов через биомембрану. В старых представлениях это было похоже на шлюз-клещи, захватывающие молекулы, например, глюкозы как показано на рис. 2.9 [56], [57]. Пиноцитоз – несамопроизвольный активный процесс с большой производительностью. Он требует затрат энергии. Сам факт взаимодействия продукта и мембраны при пиноцитозе осуществляет предварительный физико-химический анализ-отбор веществ, транспортируемых через мембрану. Эффективность пиноцитоза исключительно велика. Например, за один цикл пиноцитоза одноклеточная амёба поглощает объём жидкости, составляющий 1 – 10% её собственного объёма. Перестройка мембраны клетки при этом захватывает до 6% её поверхности. В процессе пиноцитоза амёба поглощает белки селективно по их видам. Всего за 5 минут клетка может поглотить белка раз в 50 больше, чем содержится в объёме внешней среды, равном объёму самой амёбы. Реальная структура белковых включений (рис. 2.8, справа), как впервые показано в [58] – [61], [14], приводит при транспорте ионов через мембрану (например, натрия, калия в нервных клетках) к обратным связям, необходимым для излучения и резонансного поглощения электромагнитных волн с дискретным спектром (см. главу IX). Вторичные продукты реакций отличаются по своим физико-химическим свойствам от первичных. Свойства белковых включений в биомембрану различны. Поэтому может возникнуть и возникает аналогичный селективный процесс, который выводит наружу не нужные клетке вторичные продукты. Он называется эмейоцитоз. Пиноцетоз и эмейоцитоз – это процессы на уровне выраженных биомембран. Они иллюстрируют роль физико-химических законов при возникновении и метаболизме живой клетки. Первый из них – избирательное соединение между собой сложных продуктов в физико-химически обособленные агрегаты, которые определяют существование последующих форм жизни. Второй – селективная проницаемость границ этих агрегатов, заданная теми же свойствами молекул, которые привели к агрегированию. Липидная оболочка законсервировала “первичный бульон” в прокариотической клетке – первичном виде собственно живой системы. Изоляция “первичного бульона” создала условия для работы оптимизирующего дарвиновского отбора. О прокариотах известно намного больше, чем аннотационно рассказано здесь, но далеко не всё. При исследованиях прокариотических клеток установлено, что сложные многоступенчатые процессы синтеза белков и самовоспроизведения клетки и её элементов, которые были объединены понятием – “гетерокатализ с участием ДНК”, протекают с помощью взаимодействий с ДНК и между собой трёх предельных видов РНК. Рибосомная РНК, составляющая значительную часть материала рибосом, с участием которых синтезируются белки. Информационная РНК, которая передаёт рибосомам клетки генетическую информацию от ДНК в ядре клетки. Транспортная РНК, ответственная за перенос и последовательность аминокислот при синтезе полипептидной цепи. Запоминание этих форм РНК закрепил выбор из множества разных РНК и процессов с их участием в “первичном бульоне”. Изощрённая “целесообразность” этих основных трёх типов РНК возникла как результат запоминания случайного выбора. В прокариотической клетке РНК синтезируются с участием ДНК как матрицы. Однако по геохронологической шкале ДНК образовалась позже РНК. Поэтому в палеонтологическом прошлом запомненный случайный выбор, при котором ДНК может управлять синтезом РНК, наиболее вероятно возник после этапа, когда РНК подобных типов присутствовали в “первичном бульоне” как самостоятельные объекты. Насколько конкретная реальность далека от простейших схем видно на примере рибосом и рибосомной РНК как составляющих клетки, содержащих в себе палеонтологические свидетельства.
С точки зрения палеонтологии рибосомы, например, E. cоli есть одна из запомненных более миллиарда лет назад случайных выборок из подобных им разных по виду неживых агрегатов в “первичном бульоне”. Пример влияния ионов магния показывает, что на случайности в этом случае сложно влияют окружающие условия. Существование рибосом и их свойства утверждают, что агрегирование РНК в форму безоболочечных эквивалентов частиц было широко представлено в “первичном бульоне”. Конкретный ионный и органический состав “бульона”, а также физические условия, определяли форму и состав разных случайных агрегатов. Опять подчеркну, что РНК в действительно первичном “бульоне” были более высокотемпературными, чем в большинстве современных прокариотических клеток. Возникновение жизни первоначально есть иерархический рост “агрегирования” – симбиоза – на “неживом” уровне. Для его реализации необходимы случайные взаимодействия между неживыми агрегатами, которые однородны или неоднородны по типам. Простейшей аналогией таких процессов являются столкновения молекул в газах. Но в газах столкновения неспецифичны – просто упругий или неупругий удар. В молекулярных масштабах велики и сами РНК и, тем более агрегаты на основе РНК. Скорости их движения имеют порядок диффузионных скоростей, то есть несопоставимо малы по сравнению со скоростями теплового движения простейших молекул в газах и жидкостях. Соответственно на многие порядки величины меньше частоты соударений. А само “неупругое соударение” есть сложная каталитическая реакция. Неспецифические случайные столкновения не достаточны для объяснения процессов возникновения и эволюции жизни. Для предбиологической и биологической эволюции жизни решающим становится способ “столкновений”, учитывающий физико-химические особенности молекул жизни. Процессы в существующих прокариотических клетках дают возможность восстановить палеонтологическую историю возникновения и функционирования этих столкновений. Пример реализации специфического способа “столкновений” дают информационные РНК в клетке E. cоli. Они синтезируются с использованием её ДНК. Информационные РНК представляют физико-химические свойства таких видов РНК, которые могли в “первичном бульоне” диффундировать избирательно, адресно. В частности, внутри клетки E. cоli информационные РНК адресно диффундируют в сторону рибосом и вступают в контакт с ними. При этом информационные РНК демонстрируют способность одних РНК к объединению с агрегатами на основе других РНК, а также возможность синтеза белков с участием двух разных групп РНК. Взаимодействию агрегата – рибосомы на основе РНК одного вида с разными информационными РНК – будет соответствовать синтез разных белков. Живая клетка указывает на ещё один класс процессов селективной диффузии РНК как физико-химических объектов. Это перенос аминокислот с помощью транспортных РНК. Запомненные из хаоса случайностей “первичного бульона” три вида РНК содержат в себе условия селективной диффузии и взаимодействий с их участием. Они могут управлять последовательностью включения аминокислот в белки. Рибосомы неспецифичны к синтезу белков. Но это сочетается с программой синтеза, которую может переносить информационная РНК, а также с неспецифичностью транспортных РНК к конкретным видам аминокислот. Эти условия создают новый иерархический уровень случайностей. В первичном бульоне нет однозначности и совершенства взаимодействий разных видов РНК с белками и прочими элементами предыдущих плоскостей иерархии роста энтропии-информации, но существуют классы взаимодействий, которые превратились в однозначные запомненные выборки из случайностей – процессы и объекты внутри клетки. Современная живая клетка даёт примеры процессов, которые вносят в условия случайные комбинации многостадийных взаимодействий и их продуктов как целого. Это ускоряет переборку случайностей, необходимую для запоминания при синтезе информации. Пример таких “блочных” запомненных случайностей даёт синтез РНК с помощью ДНК или перечисленные выше процессы с участием трёх видов РНК. Важно, что физико-химические процессы при этом приводят к вариантам РНК и ДНК как энергетически мало отличных молекул. Эти же физико-химические процессы гарантируют механизм эффективного запоминания случайных результатов – экспоненциальное размножение. Биологам, биохимикам, биофизикам во всём этом известно огромное количество конкретных подробностей. Не меньше, несомненно, их осталось и для дальнейших исследований. Например, в самое последнее время получена полная расшифровка генома бактерии-прокариота – кишечной палочки E. cоli. Поэтому приводить здесь подробности смысла нет. Об этом написаны десятки толстых учебников. Для того, чтобы каждый мог использовать для иллюстраций себе, изложенного здесь, тот объём материала, который ему известен, повторю основную логическую цепочку синтеза информации (в том числе в комплексной плоскости). Исследования живой клетки выявляют условия, которые ограничивали случайности на первых этапах возникновения жизни. В итоге комплекса условий оказалось возможным самовоспроизведение конкретных РНК – запоминание – синтез информации. Принцип структурной комплементарности гарантирует – промежуточные продукты химических реакций метаболизма взаимосогласованы, то есть пригодны для новых реакций. Физические законы гарантируют – с участием РНК и ДНК возможна пространственная группировка и транспорт продуктов реакций в разных конкретных формах, для которых агрегирование, то есть формирование “объекта”, неизбежно. Эти объекты эфемерны, неповторимы, но среди них устойчив, то есть может быть запомнен, тот единственный, который обеспечивает замкнутый цикл самовоспроизведения – создаёт для себя условия максимума производства энтропии, то есть отвечает важнейшему фундаментальному закону природы. Зависимость от окружающей среды такого запомненного объекта уменьшается. Он может существовать в более широком диапазоне внешних условий и влиять на окружающую среду как самоубийственно (тогда сигнал о его существовании до нас дойти не может), так и “доброжелательно” по отношению к себе самому. В последнем случае экологические проблемы для него есть то, что поддерживает его существование. Естественно, что “созидающие” процессы менее вероятны, чем разрушительные. Но принцип максимума производства энтропии есть принцип максимума способности к превращениям. То, что запомнено на его основе, открывает такой путь роста беспорядка (энтропии-информации), который с участием новых условий приведёт к новым объектам и к новым процессам синтеза информации на их основе. Возникновение жизни на планетах Солнечной системы или других звёзд во Вселенной есть закономерный, воспроизводимый процесс тогда, когда на данной планете возникли строго определённые геофизические условия и они слабо изменяются (как можно судить по истории Земли) на протяжении длительного времени порядка миллиарда лет. Возникшие объекты дальше сами создают и поддерживают для себя условия, которые случайно были когда-то в некоем объёме “первичного бульона”. Поэтому макроскопические составляющие в прокариотической клетке представляют “законсервированное” палеонтологическое свидетельство возможностей “первичного бульона”. В таком виде они отражают его “экстрагированный” состав, в котором представлена узкая, специфическая часть возможных реакций из “первичного бульона”. Например, рибосомы есть запомненный случайный выбор из огромного количества близких, но конкретно отличных, возможностей и состава “первичного бульона”. Рибосомная РНК отражает, основанные на принципе структурной комплементарности, возможности в таком “бульоне” синтеза белков с участием РНК. Информационная и транспортная РНК являются палеонтологическим свидетельством возможности в “первичном бульоне” селективного транспорта макромолекул и адресных “столкновений”. Такой подход к клетке как источнике палеонтологических сведений показывает, что на самых первых этапах возникновения жизни немаловажны физико-химические законы, которые в терминах рис. 1.2 объединены понятием – семантическая информация. Нуклеотиды, аминокислоты, РНК, белки – это прежде всего некоторые молекулы. Законы формирования пространственных структур и транспорта сложных молекул также физико-химические. Все вещества, характерные как первичные продукты “бульона”, так и как продукты реакций в нём, обладают своими законами взаимодействий между собой и с молекулами воды [62]. Поэтому химические реакции приводят к физическим процессам расслоения веществ. “Коацерватные капли”, в которые “вселяется жизнь” – невозможны. Обязателен физико-химический “отбор” продуктов, реакций с их участием и вторичных веществ, которые сами создают для себя “реактор” как пространственно-диффузионную “конструкцию” – прокариотическую клетку. Именно это и означает (как было подчеркнуто в предыдущем параграфе), что самые большие количества семантической информации относятся к самому первому этапу возникновения жизни – прокариотической клетке. При этом во всём, что связано с жизнью, свойства углерода и его соединений есть основа первичной семантической информации, без которой возникновение и эволюция жизни были бы невозможны. Иерархический ряд для энтропии-информации (1.29) и условие убывания его членов (1.26) определяют ещё одну особенность иерархических плоскостей синтеза информации и жизни во всех её формах. Каждая следующая плоскость отделяется от предыдущей экспоненциально уменьшающимися интервалами количеств информации. Соответственно “внутри” каждой следующей плоскости синтеза информации количества информации убывают. Это по мере перехода на более высокие ступени иерархии уменьшает количества информации, отличающие друг от друга виды в пределах каждой из плоскостей. При этом падает роль семантической информации, то есть на каждой более высокой иерархической ступени отношение Sk,s/Ik растёт. Избыток “пищевых” ресурсов для “выживания выживающих” есть характерная особенность всех иерархических скачков в эволюции жизни. В частности, возникновение жизни было возможно потому, что конкретные специфические условия по химическому составу соединений, температурам, давлениям, электромагнитным процессам (в диапазоне от радиоволн до гамма-излучения), статическим электрическим полям и электрическим разрядам в окружающей среде привели к интенсивному абиогенному синтезу специфических соединений на основе углерода. Абиогенно возникший “крепкий” бульон есть первооснова закономерного возникновения жизни в разных областях Вселенной, которое воспроизводимо при сопоставимых условиях как обязательный этап эволюции Вселенной. Но с куриным бульоном его путать нельзя. Казалось бы, опять круг замкнут – пусть не жизнь, но тогда хоть свойства углерода, должны были придумать какие-то “силы духовной природы”. Это не так. Эта глава начата с того, что уникальность свойств углерода возникает потому, что он реализует максимум иерархической энтропии на уровне электронных оболочек атомов. Если “кто-то” что-то и “придумал”, то это есть второе начало термодинамики, критерии синтеза информации рис. 1.2 и принцип максимума производства энтропии. Высокотемпературные условия возникновения жизни и роль соединений серы вводят в изложенное выше свои немаловажные отличия, но принцип остаётся тем же, что описан выше. 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:
|
|