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

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.