Страница 62 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен

Шестимерные симметрии в фазовом пространстве, принцип структурной комплементарности (см. главу VI) содержат в себе ключ для описания синтеза информации в ДНК, в частности, в процессе размножения. Парадоксальный вопрос для полового размножения эукариотической клетки – почему ДНК самопроизвольно переходит из низкоэнергетического состояния диплоидных хромосом в высокоэнергетическое состояния гаплоидных?

Чудес не бывает. Если этот переход в живых системах существует, то его причина есть подвод к ДНК дополнительной энергии.

При эволюции жизни в пределах каждой из плоскостей решающее есть стремление к “тупикaм равновесия”, созданным синтезом информации по принципам рис. 1.2. Для того, чтобы клетка с диплоидным набором хромосом могла размножаться, необходимо двойную спираль разделить на две нити-половинки. Размножение клетки включает в себя последующий синтез опять-таки двухнитевой ДНК.

Фаза деления при размножении эукариотической клетки связана с двумя ключевыми понятиями – митоз и мейоз, кратко обозначающими изощрённую кинетику процессов.

Митоз есть составляющая размножения диплоидной эукариотической клетки, при котором диплоидный набор хромосом превращается в гаплоидный и далее восстановливает исходную диплоидную форму. В процессе митоза ядро эукариотической клетки разделяется на два дочерних ядра, повторяющих набор хромосом исходного. Митоз сопровождается процессом разделения между дочерними клетками цитоплазмы исходной клетки (цитокинезом). Феноменологически кинетика митоза подробно исследована и описана. К современным учебникам биологии иногда прилагаются CD-диски для компьютеров, воспроизводящие его динамику в виде “кино”.

Мейоз есть запомненный в процессе эволюции случайный вариант ошибки в процессе митоза – клетки дважды претерпевают расхождение хромосом без промежуточной репликации (удвоения). Поэтому результат мейоза есть гаплоидная клетка. Митоз и мейоз (как было проиллюстрировано в параграфе 3) исторически возникли как составляющие непрерывного размножения. Именно это создало возможность запоминания, то есть синтеза информации об этих процессах. Половые тупиковые клетки – гаметы есть случайная ошибка при реализации уже синтезированной информации. Она состоит в том, что мейоз вводит в деление клетки на высокой ступени иерархии энтропии-информации такие элементы, которые существовали и были необходимы на прошлых уровнях иерархии. Ошибка возникает потому, что мейоз (как процесс, существовавший в предистории) вводится, казалось бы, “не к месту”.

Как случайная ошибка мейоз наиболее вероятно реализуют предельные альтернативы выбора между случайностями:

симметричное деление клетки, приводящее к образованию четырёх тождественных клеток с гаплоидным набором хромосом (мужских гамет – сперматозоидов);

несимметричное деление клетки, в процессе которого из чётырёх клеток сохраняется только одна гаплоидная клетка (женская гамета – яйцеклетка).

В обоих случаях возникновение гамет как самостоятельных тупиковых одноклеточных организмов только повторяет способы деления клетки, которые уже существовали и запомнены в предистории.

Первичный сигнал для начала деления клетки (в форме как митоза, так и мейоза) есть удвоение массы клетки как результат её нормального метаболизма. Это есть энергетический сигнал. Делению клетки предшествует репликация ДНК, то есть энергопотребляющий процесс.

ДНК, независимо от того, что её хромосомная оболочка сложна, является равновесной стуктурой, в формировании и метаболизме которой решающее физико-химическое условие есть минимум свободной энергии (или его более строгое отображение критериями устойчивости в комплексной плоскости). Любые перестройки, связанные с переходом от диплоидной формы хромосом к гаплоидной возможны только тогда, когда хромоcомы и клетка имеют избыточную энергию по отношению к стационарному метаболизму. Митохондрии как симбионты в эукариотических клетках гарантируют эффективное производство энергии в клетке, обеспечивающее такую избыточность.

В процессе метаболизма эукариотическая клетка растёт, накапливает в себе энергию. Это изменяет обмен энергией с окружающей средой. Процессы метаболизма используют энергию конкретными способами. Часть из неё передаётся ядру клетки и хромосомам в нём. Хромосомы в ядре клетки, включающие в себя ДНК, ключевые по роли потребители энергии. Клетка “существует для них”. Обычный в неживой природе путь превращения избыточной энергии в тепло ограничен спецификой метаболизма клетки. Уникальная сложность, изощрённость жизни, в первую очередь, основана на простых элементарных составляющих. Это же должно проявляться и в сложных процессах митоза или мейоза.

Рост клетки имеет самое прямое отображение в виде увеличения её размеров. Поэтому искать причины начала митоза или мейоза надо именно в этом. При росте клетки возникает прямой и сильный эффект – поверхность клетки растёт пропорционально квадрату её линейного размера, а объём – пропорционально его кубу.

О возможной роли в управлении размножением клетки отношения поверхности клетки к её объёму, которое быстро падает в процессе роста эукариотической клетки, известно. Это связывают с изменением транспорта продуктов через мембраны клетки. Вызванные этим изменения рассматривают как сигнал для начала деления клетки. Исключить такое нельзя. Однако нельзя преуменьшать роль передачи непосредственно ДНК избыточной энергии клетки.

По мере роста эукариотической клетки в ней увеличивается запас энергии. Эта энергия вложена в конкретные физические процессы и химические реакции. Они уже существуют в метаболизме клетки. Дополнительная энергия только их видоизменяет – начинается деление. Митоз есть сбой динамического (почти равновесного) метаболизма клетки. При делении эукариотической клетки размеры дочерних клеток меньше, чем у исходных. Дочерние клетки энергетически беднее. Сумма параметров двух одинаковых дочерних клеток (как результата деления по схеме митоза) примерно равна параметрам начальной неразделившейся клетки.

Однако энергетика клетки не может управлять митозом в терминах аналогов “плавления” ДНК. Используемый в этой книге термин гетерокатализ подразумевает сложную кинетику процессов. В её составе энергетический сигнал конкретизируется выработкой специфического белка, единственного (или почти единственного) у всех форм жизни [100]. Запоминание его случайного выбора (с участием семантической информации) – скрытый, но важнейший шаг в возникновении эукариотической клетки. С энергетической точки зрения митоз выражает ответ клетки на перепроизводство энергии и возврат к “экономии” с помощью процесса деления клетки. Рост и митотическое деление клетки образуют термодинамический цикл (см. главу VI).

Вырастить тупиковые нежизнеспособные клетки (гаметы) и обеспечить условия для их встречи – в этом “цель жизни” особей, а не в размерах, силе или красоте представителей полов. Половое размножение сопровождается, как правило, изощрёнными особенностями, необходимыми для реализации оплодотворения на уровне организмов и их взаимодействий как целого. Кажется невероятным, что подобное могло возникнуть случайно. Но это только кажется.

В главе III приводился пример симбиоза при размножении рыбы горчак и двустворчатого моллюска. Этот симбиоз есть гротеск, “карикатура” на взаимные приспособления при половом размножении – “половое” (по внешним признакам) размножение организмов, зародыши которых уже возникли как результат полового размножения.

Кажущаяся невероятной изощрённость взаимных процессов у особей при половом размножении содержит в себе во многих случаях однозначные реакции, подобные рассмотренным в примере симбиоза рыбы и моллюска. По отношению к половому процессу даже более сложные взаимодействия есть система. Причина в том, что они непосредственно участвуют в запоминании с помощью размножения. Любая случайность может быть запомнена мгновенно. Но взаимодействия особей при половом размножении считаются имеющими цель, а потому не удивительными. Кстати, это ещё раз подчёркивает, что “симбиоз Любищева” рыбы и моллюска не есть невероятное исключение, а отображает вариант закономерностей, распространённых в природе.

Процесс полового размножения есть один из тех фундаментально важных “симбиозов”, которые считают проявлением эволюции “с целью” только потому, что они широко распространены в природе и дают универсальные преимущества.

Попробуйте придумывать самые гротескные (но совместимые с общими для форм жизни условиями) случайные реализации цепочки: максимальная в данных условиях скорость размножения – приход к равновесию – нарушение равновесия – повторение цикла вновь. Если вы сопоставите свои самые буйные фантазии с известными способами размножения видов жизни, то случайности, реализованные в существующих или существовавших живых организмах, их превзойдут. При этом число видов и количество в них индивидумов, использующих, казалось бы, невероятные конкретные случайности, в отдельные периоды истории жизни на Земле могли быть огромными.

Рыбы плывут тысячи километров солёными морями и океанами в устья каких-то холодных пресных рек только для того, чтобы отложить и оплодотворить икру, а самим погибнуть – о какой направленности отбора, целесообразности и оптимальности может идти речь? Это только и именно запомненная случайность, которая с огромными издержками обеспечивает “выживание выживающих”.

Случайность мутации соматических клеток, результатом которых может стать их переход к мейозу и к гаплоидной форме “гамет”, несомненно, в природе не редкость. Но экспериментально обнаружить их чрезвычайно трудно – клетка гибнет без последствий для своего окружения. Обнаружить единичные нежизнеспособные клетки, а тем более установить генетические причины гибели каждой – задача непосильно трудная, несмотря на все успехи техники экспериментов.

Страница 62 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука