Страница 53 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

В таблице 3.1 при сопоставлении подходов Ч. Дарвина и Л.С. Бер­га упо­ми­нание о мутациях сопровождалось оговоркой об ограничиваю­щих их условиях. Нейтралистская теория отбора связывается с понятием о то­чечных мутациях. И в дарвинизме, и в других существующих теори­ях эволюции жизни мутации рассматриваются как результат незави­си­мых случайностей. В связи с этим существует недоумение. Частота спон­тан­ных мутаций в ДНК имеет порядок одной на миллион или даже одной на сто миллионов клеток и их делений. Этого явно мало, чтобы объяс­нить реальную изменчивость видов. Многие отказываются из-за этого от принципа решающей роли случайностей в эволюции жиз­ни. Это непра­виль­но. Покажу, что низкая частота спонтанных мута­ций есть необходимое требование для эволюции жизни.

Сведений о мутациях на­ко­пилось много. Непрерывно изменяется как описание основ, так и де­та­лей мутационных процессов и результи­рую­щих состояний. Описание мутаций и репара­ции пов­реж­де­ний при них отра­же­но в [67], [68]. Популярный об­зор, включающий оригиналь­ные работы его авторов, см. [97] и ссылки на литературу в нём. Ос­нов­ные известные факты о мутациях можно свести к утвер­ж­де­ниям:

В приспособленных к внешней среде организмах существуют спон­танные мутации с частотами 10-6 – 10-8, отнесенными к одной клетке и одному делению. Они явно малы для то­го, чтобы служить источ­ни­ка­ми видообразования.

Частоту мутаций можно повысить подводом к ДНК энергии в ви­де квантов жёст­кого излучения, а также энергии при химических реак­циях в присутствии спе­ци­фических веществ (мутагенов).

Частоты спонтанных мутаций намного выше, чем следует из уровня естественного радиоактивного фона.

Мутации сводятся к замене, вставке или выпадению в гене од­но­­го или нескольких нуклеотидов, то есть к свойствам ДНК как молекул.

Мутацию гена может сопровождать образование аллелей, раз­ли­­­ча­­ю­­щихся числом и последовательностью нуклеотидов.

Существуют обратные мутации, при которых ранее мутировав­ший ген полностью или частично восстанавливает свои функции.

Искусственные мутагены вызывают только такие мутации, ко­то­­­рые возникают спонтанно независимо от них.

Мутагены изменяют частоту мутаций генов не пропорцио­наль­но частоте их спон­танного мутирования.

Существует интервал оптимума температуры, вне которого час­то­та мутаций растёт (преимущественно при повышении температуры).

Частота мутаций, в частности, зависит:

от баланса нуклеотидов в среде, в ко­то­рой находится ДНК;

от соотношений между скоростями син­теза ДНК и белков;

от соотношения производства аминокислот с помощью ДНК и их содержания во внешней среде;

увеличение частоты мутаций при таких дис­ба­лансах различно для разных генов в кле­точ­ной попу­ля­ции и достоверно может быть на порядки больше частоты спонтанных мутаций.

Эффекты мутагенеза, подобные результатам дисбаланса нукле­о­­тидов, вызывает стресс на клеточном уровне как изменение физиологи­чес­ких и биохимических процессов. 

Если синхронизировать действие мутагена (например, ультра­фио­летового облучения) с работой участков ДНК в про­цес­се репли­ка­ции, то мутабильность перемещается по ДНК синхронно с пе­ре­­ме­щени­ем активных участков. Активные гены чаще мутируют, чем не­активные.

Существуют динамические процессы восста­нов­ления пов­реж­де­ний в ДНК при репара­ции, рекомбинации и реп­ли­кации.

Количество подробностей, уточняющих приведенное выше пере­чи­с­ле­ние, огромно. В постановке задач этой работы мутационный про­цесс, в первую очередь, рассматривается как со­­с­тав­ляю­щая иерархичес­кого синтеза ин­фор­мации – источник случай­но­стей, на основе которых формируется ста­тическое или динамическое равновесие. На языке фи­зи­ки мутация есть аналог возбуждения атома или мо­ле­кулы при подводе энергии и её возврата в основное (равновесное) со­с­то­яние при отдаче энергии. Эти процессы в физике описывают излуче­ние ато­мов и моле­кул. В атомных системах могут существовать ана­ло­гич­ные про­цессы, не сопровождающиеся излу­чением. В био­­хи­­мии переходы вы­ражают мак­ро­скопические хими­чес­кие ре­акциии.

Для того, чтобы было возможно равно­ве­сие среды и излучения, про­­цес­сы возврата в основное состояние должны содержать две сос­тав­ля­­ющие, которые ввёл А. Эйнштейн в работе [98], которая сегодня стала основополагающей для лазеров. Он наз­вал их спонтанным и индуци­ро­ванным излучением. Акты спонтан­но­го из­лу­чения возникают со средней частотой, зависящей от свойств дан­­­ного атома и уровня его возбуж­де­ния. Число актов ин­ду­ци­рованного из­лу­чения зависит от концентрации квантов излучения с дан­ной часто­той в окрест­ности атома. При рав­но­весии и при многих существенно не­рав­новесных процессах (например, лазерное излучение) количество ак­тов индуциро­ван­ного излучения на порядки превосходит число актов спон­­танного из­лу­­чения.

Спонтанное и индуцированное излучение харак­теризуют кон­с­танты, которые определяются из условия равновесия из­лу­­чения и среды. Однако они участвуют неиз­мен­ными в нерав­но­весных процессах.

Ос­нов­ное со­стояние атома при описании излучения принимается си­нони­мом стати­чес­ко­го рав­но­ве­сия. Неважно, что при де­тальном ана­ли­зе оно может быть ди­на­ми­чес­ким. На­при­мер, элек­т­рон в атоме во­до­ро­да в основ­ном состоянии участ­вует в про­цес­­сах, которые в модели Бо­ра постулируются как вращение по ор­би­­те. Понятие равновесия не­раз­рыв­но связано с экстремумами энтропии. Она, как введено в [2], [11], есть иерархическая переменная. На каждом уровне иерархии нуль для от­­счёта экстремумов свой.

Для электронов в атомах возможно равновесие менее прочное, чем в основном состоянии. Его называют метастабильным со­с­тоя­нием. Воз­врат к нему воз­буждён­ного атома или молекулы является про­ме­жу­точ­ным шагом на пути к ос­новному состоянию.

Мутация – есть результат подвода энергии к ДНК как специфи­чес­ким молекулам и возврата их в ос­нов­ное состояние. Молекула ДНК не­со­­измеримо слож­нее, чем атом или молекула, например, во­дорода. Для неё понятия ос­нов­ного сос­то­я­ния, воз­буж­дения, возврата в основное состо­яние име­­­­ют ото­бра­же­ние, феноменоло­гичес­ки не­­­­со­­по­с­тавимое с про­с­тыми атома­ми. Но и по от­ношению к мутационному процессу ос­таётся обязатель­ным разделение процес­сов на инду­ци­ро­ванные и спонтанные пере­хо­ды в равновесное состояние. В ли­те­ратуре нет даже на­мё­ка на необходимость учёта этих двух типов пере­хо­дов в му­­тационном процессе. Термин – спон­танные му­та­ции в биологии не содержит строгости аналогии со спонтан­ным излу­че­­нием в фи­зи­ке. Это одина­ко­вые слова при описании разных процессов, что недо­пу­с­ти­мо.

Для молекулы ДНК энер­ге­тически крупные изменения при воз­буж­дении есть рас­хож­дение нитей двойной спирали. Возбуж­де­ние ДНК перемещается по её участкам. Это спра­вед­ливо и в тех слу­ча­ях, ко­гда итогово процесс преобразует всю молекулу ДНК.

Ук­руп­нён­но для ДНК можно выде­лить три класса возбуждённых состояний.

Первый из них есть дерепрессия (рис. 4.7). Молекула ДНК раскру­чена на своём участке. Поддерживающее равновесие влияние белков сня­­то. Гетерокатализ (синтез информационной РНК) осуществляет толь­ко одна из нитей ДНК.

Второй – репликация. Молекула ДНК рас­к­ру­чивается по участкам, но полностью. Синтез новой ДНК идёт одновре­мен­но на обоих нитях по­с­ледовательно по длине ДНК.

Третий вид воз­буждения парадоксальным образом приводит к рав­но­весному состоянию гаплоидных половых клето­к (га­мет), которые спо­соб­ны возвращаться в основное состояние (рис. 4.7).

Все три класса состояний ДНК подчиняются критериям устойчи­во­с­ти рис. 1.2, 1.4. Первые два  есть существенно неравновес­ные со­с­то­я­ния (рис. 4.7). Их поддерживают потоки энергии и веществ, которые проходят через систему. Эти состояния отвечают неравновесным дина­ми­чес­ким процес­сам, которые устой­чивы. Это динамичес­кие рав­нове­сия вдали от ста­тического равновесия.

Гаплоидное состояние (рис. 4.7) должно было бы быть неравновес­ным вы­со­коэнерге­ти­чес­ким состоянием. Однако формирование по­ловой клетки пре­в­ращает его в статически равновесный объект (прибли­жен­но, так как существует метаболизм гамет, не приводящих к их деле­нию). Состояние гамет можно назвать ме­та­стабильным, посколь­ко оно может пе­ре­ходить в ос­нов­ное состояние (оплодотво­рён­ная клет­ка).

Условия статического или динамического равновесия формируют мутацию как состояние возврата после возбужения. Этот термин приме­ня­ют преимущественно к состояниям, которые парадоксальны в виде но­вых случай­ностей. Но они как состояния удов­летворяют требованиям устой­чи­­вос­ти рис. 1.2, 1.4 ста­ти­чес­­ких или дина­ми­­ческих равновесий.

Утверждение п. b относится к тем случаям, когда источником му­та­ций яв­ляются ло­кальные возбуждения (рис. 4.7) над любым из классов за­пом­ненных сос­то­­я­ний и динамических процессов. Ведь именно тако­вым является под­вод энергии к ДНК за счёт жёсткого излучения и хими­чес­ких мутагенов. Это есть общее между ДНК и взаимодействием между излучением и “атомом водорода”. Воз­в­рат пос­ле такого воз­буж­дения про­исходит пре­имущественно в ди­на­­­мически равновесные состояния. Их у атома водорода в прямом виде нет. Отличие, много­кратно под­чёрк­нутое выше, в том, что для ДНК статические и дина­ми­ческие равно­вес­ные со­с­то­яния неоднозначны, так как энергетически рав­но­правны.

Пусть локальных возбуж­де­ний нет. Система ДНК гетерока­та­лиз на­хо­дится в одном из своих возможных рав­новесий. Основные состояния для любого из них могут быть раз­лич­ны. Возбуждение такой сис­темы заканчивается пе­ре­хо­дом в одно из равноправных неод­но­знач­ных ос­нов­ных состояний ДНК. Для них возникает аналог эйн­штей­нов­с­ких спон­тан­­ных пере­хо­­дов, имеющих вероятность, зави­ся­щую от конк­рет­­ных свойств данной системы и её равновесий. Можно ожи­дать, что в нор­маль­­ных условиях частота спон­танных му­та­ций ДНК с при­ем­ле­мой точ­ностью отражает константы этих спонтанных пе­ре­ходов.

Пусть такая система попала в неравновесное состояние. Спонтан­ные мутации источником для восстановле­ния равновесия быть не могут – их частота слишком мала. Возникает та же самая ситуация, которую объяснял Эйнштейн в своей работе о равновесии излучения абсолютно чёрного тела – пос­то­янная вероятность (боль­шая или малая) спон­тан­ных переходов не может при­вес­ти к рав­но­весию. Ли­бо система будет непре­ры­вно “охлаждаться”, либо наборот – “пере­гре­ваться”. Случай­ный ба­ланс исключительно маловероятен. Возникновение индуцированных переходов это устраняет.  

Если говорить о “целях природы”, то равновесие (или прео­до­­ление тупиков равновесия для максимальной способности превраще­ний) есть единственно возможные в природе “цели”. Обязательность ин­ду­ци­ро­ван­ных переходов даёт путь достижения такой “цели”.

Посмотрите на утверж­дения п.п. j, k , которые есть констатация достоверных экспе­ри­мен­таль­ных фактов. Один из них относится к де­ле­нию гапло­ид­ных му­тант­ных дрожжей-сахаромицетов [97]. Мутация ге­на, контроли­ру­ю­ще­го син­тез аденина, делает их размножение зависи­мы­ми от содер­жа­ния аде­ни­на во внешней среде. В терминах изложенного выше это есть нару­ше­­ние условий, отвечающих данному динамическому равнове­сию. Ре­зуль­тат – от 15 до 150 раз (!) повышается частота мута­ций гена, от­вет­ст­вен­ного за синтез аденина (разброс частоты возникает из-за ис­поль­зования в опы­тах разных штаммов дрожжей). Это и есть эф­фект ин­дуцированных переходов, не требующий изменения констант спон­тан­ных или ин­ду­цированных переходов. Час­то­ты мута­ций, зави­ся­щих от индуцированных переходов, могут возрастать в тысячи раз.

Биологи называют мутации в новых условиях п.п.  j, k опять спон­тан­­ными. Из терминологической некорректности это превращается в прин­­­­­­ципиальную ошибку – повышение частоты мутаций есть результат включения индуцированных переходов. Их частота всегда настолько ве­лика, сколько нужно для достижения нового равновесия, если оно воз­мож­но (не пропустите! – если оно возможно). Это закон природы, ко­торый общий как для неживой, так и для живой природы. Этот её закон имеет источником самое главное – су­щест­во­вание статических или динамических равновесий. Но к вульгарному “росту шей жирафов” это ни прямого, ни косвенного отношения не имеет.

Поясню анало­ги­ей. Пруд или озеро могут воз­ник­нуть самопроиз­вольно – физические законы это разрешают. Но этого мало. Должны су­ще­­ст­вовать условия – источник воды и рельеф местности. Индуци­ро­ван­­ные переходы гарантируют частоту мутаций, необходимую для до­стижения равновесия, но новый вид жизни возникнет только, если есть “во­да и рельеф местности”.

Результаты экспериментов, в которых частота локальных возбуж­де­ний и завершивших их мутаций зависит от перечисленных в п.п. a – m фак­торов, трактуются в терминах функ­ци­о­наль­ной активности генов, под­верженности участков ДНК действию фи­зи­ческих и химических му­та­генов, её репарируемости, её кон­фор­мации, меняющей диффузионные и другие транспортные процессы, и т.п.

Это всё, несомненно, правильно. Но это есть объяснение деталей ки­нетики про­цессов, а не их главной при­­чины. Она в том, что мутации свя­заны с синтезом информации и с устойчивостью при запомина­нии. Она приводит к статическим или ди­на­ми­ческим равновесиям – тре­бует участия в конкретных процессах биохимических аналогов спон­тан­ных и индуцированных переходов.

Мутации всегда коли­чест­венно и качественно направ­лены. Но не теми феноменологическими целями, ко­то­рые им на­вя­зывает человек, а стремлением к ста­ти­чес­кому или динамическому равнове­сию (к экст­ремумам энтропии и её производства, обеспечива­ю­щим ста­ти­ческую или динамическую устой­чи­вость). Такая направлен­ность в де­талях, от­ли­чается от направлен­нос­ти, которая при­водит к рав­но­весию излучения и вещества (к законам излучения абсо­лют­но чёрного тела) или к лазер­ному лучу как нерав­но­вес­ному, но дина­ми­чески устойчивому объекту. Од­нако по принципам индуцированные процессы в физике и в биологии одинаковы. Мутации возникают с участием на­пра­в­­лен­­нос­ти, кото­рую задаёт второе на­ча­ло термодинамики, и выражают направ­лен­ность индуцированные переходы. Это исчерпывающе доказывают экс­пе­риментальные факты  п.п. j, k. Био­логи называют эти факты функ­ци­ональной концепцией мутагенеза. Это ошиб­ка. Функциональность под­ра­зумевает цель, а её (кроме равновесий) в при­роде нет и быть не может.

Наконец, надо подчеркнуть ещё одну особенность генома как воз­буж­­даемой системы. Биохимически ДНК есть дискретная система – толь­­­­ко тройка нуклеотидов может обеспечить встраивание одной амино­кис­ло­ты. Наблюдаемые по продуктам метаболизма изменения в ДНК дис­к­рет­ные – это и есть мутации как скачки. Иные нарушения ДНК из­ме­няют её как класс химических соединений. Они летальны, так как уничтожают всю иерархическую цепочку синтеза информации, а потому в процессах и продуктах метаболизма ненаблю­да­е­мы. Отсюда факты п.п. e – h  и осо­бенно g – набор конечных статических или динамических состояний мо­­ле­кулы ДНК дискретен и ограничен физико-химическими условиями.

Экспериментальные факты п.п. a – m позволяют ответить на во­п­рос о том, сколько информации содержится в единичной мутации.

Количество энтропии-информации в ДНК определяется мыслен­ны­­ми подсчё­та­ми числа возможных комбинаций в ней кодонов, учиты­ва­ю­щих огра­ни­чения нало­жен­ных на систему условий. Мутация – есть изме­не­ние дан­ной ДНК в данном месте. Мутагены (см. п. g) вызывают только такие же мутации, которые возможны как спонтанные. Но при мыслен­ном подсчёте энтро­пии-информации учитывались все возможные слу­чайные изменения ДНК, совместимые с условиями. Они и есть воз­мож­ные спонтанные мутации как конечные состояния ДНК. По­э­тому конк­рет­ная мутация (если она про­и­зошла при ограничениях тех же ус­ло­вий) не обязательно изменяет чис­ло воз­мож­ных состояний ДНК (ко­ли­чест­во информации в ДНК) – в таком виде любая мутация уже учтена при мыс­лен­ном под­счё­те коли­че­ст­ва информации в ДНК. Мутация су­ще­ственно из­ме­няет количество информации в ДНК, если она создаёт но­вый адиабатический инвариант системы – вводит в действие синтез информации на основе принципа максимума производ­ст­ва энтропии, то есть приводит к новым физико-химическим вариантам ДНК.

Свер­шив­шаяся мутация есть констатация факта реальной проверки од­ного из возможных вариантов случайностей в ДНК на совместимость с условиями. Если мутация в результате запомнена, то этим (именно и толь­ко) она превра­ще­на в информацию, количество которой есть энт­ро­пия-информация как неопределённость случайно­с­тей. Му­та­ция есть ма­териализованный шаг на пути к запоминанию как составляющей синте­за информации, то есть одна из слу­чай­ных реальных выборок в процессе синтеза информации.

Ответ системы на изменения во внешней среде, нарушающие ста­ти­ческое или динамическое равновесие, обязателен и неустраним. Столь же обязательно его конкретный результат зависит от констант спонтан­ных и индуцированных переходов в биомолекулах. В живых системах они участвуют во взаимодейтвиях квантов химической энергии.

Вид или организм есть результат запоминания с помощью ес­тес­т­­вен­ного отбора того, что удовлетворяет критериям стати­чес­кого или ди­на­мического равновесия (рис. 1.2, 1.4). Работа А. Эйнштейна [98] вводит существование спонтанных и индуцированных переходов как об­щее тре­бо­вание при возврате любой энергетически дис­кретной системы к равно­ве­сию. Моле­кула ДНК есть дискретная сис­тема не толь­ко потому, что состоит из ато­мов, но и потому, что может участвовать в гетерокатализе как дискрет­ная по нуклеотидам система.

При нормальном равновесии организма внутри себя и с внешней сре­дой частота спонтанных мутаций ничтожна именно потому, что вид и индивидуум отобраны (запомнены) как динамически равновесные объек­­­­ты. Она есть неотемлемая характеристика этих объектов. Частота спон­тан­ных мутаций не может и не должна быть боль­­шой. Условия равно­ве­сия требуют только, чтобы спонтанные пере­хо­ды суще­ст­вовали. Их час­тота отражает свойства элементов (объектов), участ­ву­ю­щих в дан­ном динамичес­ком равновесии. Она вли­я­ет на результаты, но не са­ма по себе, а как параметр при установлении равновесия с участием инду­ци­рован­ных переходов. При запомненном равно­ве­сии му­та­ции (как обозначение результата возврата в основное ста­ти­чес­кое или динамическое состояние молекулы ДНК) именно таковы, ка­кие нужны для этого равно­ве­сия.

Однако изменения внешней среды, нарушающие запомнен­ное ди­на­мическое равновесие (по определению равновесия) вы­зы­­вают силы, на­правленные к равновесию. ­Константы спонтанных и индуцированных переходов в молекуле ДНК сохраняются, но оп­ре­де­ля­емые ими коли­чест­ва переходов во много раз превышают количество спонтанных пе­ре­ходов. И, самое главное, ведь пе­ре­ходы в основное сос­то­яние ДНК равноправно многозначны. Возникает мутация как резуль­тат многознач­нос­ти энергетически равноправных состояний ДНК, её дина­ми­ки и ге­те­ро­катализа с её участием. Это и есть мута­ции в биологическом смысле.

Увеличение частоты мутаций по причинам п.п. j, k есть ко­ли­чест­венное изменение роли ин­ду­цированных переходов в условиях мно­го­знач­ности основного сос­то­­я­ния ДНК. Равновесие отражают экстремумы энт­ро­пии и её производства. Ответ системы на нарушение равновесия есть единственно возможный – изменение случайностей, с помощью  ко­то­рых формируется экстре­мум (равновесие).

В неизменных условиях равновесного существования биологи­чес­­ких видов частота спонтанных мута­ций обязательно и неустра­ни­мо на порядки меньше, необходимой для видообразования. Иначе жизнь и её таксономические градации не могли бы су­­ществовать. Прод­ви­нутая эволюция жизни на пла­нет­ных системах звёзд в рукавах галак­тик невозможна из-за жёсткой радиа­ции при вспышках сверхновых звёзд. Они губят жизнь потому, что по­вы­шают (п. b, с) частоту спон­тан­ных мута­ций (в смысле биологов) и этим дела­ют эфемерным рав­но­­ве­сие как условие су­ще­ствования видов и ин­ди­ви­ду­умов. Биологичес­кий пре­дел “безопасной” радиации может сущест­во­вать в силу факта п. с. Но безусловности он не содержит.

Изменение условий, отвечающих равновесию таксономи­чес­кой гра­да­ции, не может и не должно вызывать ответ живых организ­мов с целью создать новый вид с конкретными внешними признаками. Воз­ник­новение нерав­новесности, затрудняющей существование вида, увели­чивает роль в обра­зо­ва­нии мутаций инду­ци­рованных переходов.

Индуцированные мутации (в терминологии задач возврата к равно­ве­сию Эйн­штейна) ни числом, ни качеством не возникают с целью “от­растить хвост или уши” у данного вида в ответ на изменения внешней или внутренней среды. Они отражают обязательные процессы возврата системы к равновесию. В силу энергетических свойств ДНК этот возврат неоднозначен по результатам. Если он достигнут, то является новым рав­­но­весием.  Но по определению новое равновесие – это и есть пред­ста­­витель новой  таксономической градация (в пределах данного уров­ня иерар­хии или при переходе на новый уровень). Мутации “направля­ют” не “хвост или уши” как цель, а статические и динамические равнове­сия ДНК. Принцип са­мо­про­извольности в аналогии “ша­рика”, скаты­ва­ю­­щегося в разные равноправные “ямки”, гаран­ти­рует высокую вероят­ность воз­­ник­новения нового равновесия. Человек мо­жет наблюдать в виде самовос­про­из­во­дя­щих­ся живых организмов только результаты состо­явше­­го­ся иерархи­чес­кого равновесия. Они, кажущимся образом, на­блю­даются как отбор с целью при­с­пособления. Отбор есть, спорить нео­чем, но навязывать ему цели на­до осторожно.

Объяснённая выше роль индуцированных переходов в частоте му­та­ций устраняет главное недоумение, которое присутствует не только в классическом дарвинизме – частота и результаты мутаций зависят от формы и ве­ли­чи­ны нарушений равновесия (в конечном счёте, от условий выжи­ва­ния суще­ст­ву­ю­щего вида). Мутации закономерно уве­личивают свою частоту так, как это нужно для восстановления равновесия, опять подчеркну, если оно воз­мож­но. Новое рав­но­весие – это есть новая таксо­но­ми­ческая градация жизни (например, вид). Од­нако гарантий видообразования “с целью” нет – мута­ции направлены, но ни­че­го общего с извест­ными вульга­риз­мами в этом нет и быть не может.