Страница 67 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

 Важен ещё один пример, который демонст­рируют формы жизни в более низкотемпера­тур­ной зоне “подводных курильщиков”. Он заклю­ча­ет­ся в наблюдаемых там достоверных фактах стремительности эво­люции жизни как измене­ния существующих ви­дов.

В зоне обычных температур подводных вулканических гидротерм выделены бактерии, которые существуют за счёт серо­водорода и других соединений серы. Их энергетика использует окисление сульфидов. Этим определена их роль как первичной пищевой основы для других форм жизни. Для обозначения этого используют термин – автотрофы, то есть организмы, существующие на абиогенной пищевой основе. В этом они подобны растениям (фотоавтотрофам). Отличие бактерий гидротерм от растений по первич­ному источнику энергии выделяется термином  – хе­мо­литоавтотрофы. Их существование создаёт специфическую экологи­чес­кую нишу как цепочку более сложных видов жизни, начиная от пи­та­ю­щихся самими хемолитоавтотрофами и продолженную, как обыч­но в экологических нишах, хищниками по отношению к ним. По своей роли в экологической нише гидротерм хемолитоавтотрофы подоб­ны рас­тениям в экосистемах наземной и поверхностной жизни. 

Исследования, например, в упомянутой выше зоне в 320 км к се­ве­ро-востоку от Галапагосских островов показали, что плотность и разно­об­разие форм жизни в экологической нише глубоководных (2600 м) гид­ро­терм сопоставимы с теми, что существуют в са­мых благопри­ятных ус­ло­виях вблизи поверхности земли. Там есть до метра в длину черви, жи­ву­щие в защитных трубках, белые двустворчатые моллюски размером до 15 – 20 см, скопления друз моллюсков типа мидий, креветки, крабы, ры­бы. Всё это сопоставимо с известным на поверхности земли, но отлично в деталях, так как первичная пищевая основа этого разно­об­разия (хемо­ли­тоавтотрофы) принципиально отличается от поверхност­ной, а серово­до­род и подобные соединения, без которых эти экосистемы существо­вать не могут, есть яд для наземных аналогов их обитателей [104].

Геологическое время стабильного существования экологических ниш глубоководных гидротерм ничтожно. Пространственная разобщён­ность практически абсолютна. Однако их заселённость почти не знает ис­клю­чений. При этом она похожая, но не тождественная по видам жи­вых ор­га­низмов.

Изложенные выше факты показывают, что представления о дарви­нов­ской эволюции видов как о процессе, обязательно требующем боль­ших отрезков времени, есть заблуждение. Пример фактов о глубоко­вод­ных гидротермах показывает, что предложенное в работах [3] – [10] и в этой книге объяснение сочетания случайностей и закономер­но­с­тей в эволюции жизни правильное. В примере глубоководных гидротерм на первый план выходит ис­пользование в новых усло­виях генетических бло­ков су­ществующей жиз­ни, в частности, на уровне пройденных сту­пеней иерар­хии мно­гоклеточ­ных организмов. 

Над зонами подводной вулканической деятельности (например, ти­па ок­рестностей Галапагосских островов) вблизи поверхности воды фор­мы жизни представлены в огромном разнообразии. Органические про­дук­ты их рас­па­да и це­лые ДНК, или её крупные детали, возни­ка­ю­щие в результате их гибели, оседают на дно. Содержание кислорода в воде мо­рей и океанов невелико и падает с глубиной. Оседание частиц в воде до­статочно быстрый процесс, поэтому органика может до­хо­дить до при­дон­­ных вулканических зон с минимальной деструкцией.

РНК и ДНК есть прежде всего “неживые” мак­ро­мо­­ле­ку­лы. Они мо­гут быть выделены из любой формы жизни и “помещены в пробирку” как некоторое вещест­во. Подобные процессы в восстановительной ат­мо­сфере могут са­мопро­из­вольно про­исходить при распаде по­гиб­ших инди­ви­дуумов, представ­ля­ющих вблизи по­верх­­нос­ти воды современные фор­мы жизни (в том виде, в кото­ром они отображают собой разные иерар­хические этапы её эволюции). Эти продукты проверены на “функ­ци­о­ни­рование”, включая фор­мы и виды целых РНК и ДНК или их фрагментов.

В этих участках ДНК прямо или косвенно сохранились возмож­нос­ти гетерокатализа, которые от­ве­чали их функционирова­нию до гибели по­родившего их организма. Но в них присутствует и ещё одна ключевая особенность – когда-то, миллиарды лет на­зад они возникли на основе первичных форм жиз­ни, использовавших окисление серы. Поэтому они могут вер­­­нуть себе способность к сосуществованию с усло­ви­я­ми для пер­вич­ных форм жизни, так как она была у них в предистории. Она не обя­за­тель­но должна была в них сох­­раниться явно. Важно, что их хими­чес­кая струк­тура до­пу­скает перестройки, необходимые для такого сосу­ще­­ст­вования. Какие именно будут эти перестройки? От­ве­чает на этот вопрос (как и всегда при эволюции жиз­ни) соче­та­ние случайностей и ограничивающих их усло­вий в про­цессе синтеза информации. Оно в эко­системе глубо­ко­водных гидротерм нашло неожиданное и пока­затель­ное выражение в виде животных – погонофор Ruftia pachyptila. Их иссле­дования, выполненные мно­ги­ми ав­торами, популярно изложены в [104].

Погонофоры имеют вид замкнутой червеобразной полости, не име­ю­­щей рта и внутренних органов для поглощения пищи (рис. 5.8). Она на­хо­дится внутри защитной трубки, прикреплённой ко дну. На верхнем кон­­це организма расположено ярко-красное образование типа жабр, сво­бод­но омываемое водой. Самый крупный орган внутри него (тро­фо­со­ма) образован колонией генетически чужеродных организму са­мо­стоятель­ных бак­те­­рий-хемолитоавтотрофов, окисляющих соедине­ния серы.

 Сам организм погонофоры Ruftia есть насосно-сосудистая систе­ма, которая поставляет от жабр в колонию хемолитоавтотрофов необхо­димые для её метаболизма исходные соединения:  двуокись углерода, се­ро­водо­род и кислород. Бактерии отдают организму-хозяину соединения углерода, необходимые для его метаболизма. Погонофора как биоло­ги­ческий вид жизни есть симбионт двух разных (на уровне крупных таксо­но­ми­чес­ких градаций) видов жизни, один из которых полностью нежиз­не­способен самостоятельно.

В подводных гидротермах погонофоры не единственные виды, ос­но­ванные на симбиозе аналогов высших форм жизни и хемоли­то­авто­трофов – “серных бактерий”. К ним относится крупный белый двуствор­ча­тый моллюск Calyptogena magnefica, а также родственник ми­дий Bathymodiolus termophilus.

Единственный способ объяснить возникновение и существование по­гонофор (и других симбионтов такого типа) есть предположение о том, что в процессе оседания на дно случайного генетического матери­а­ла распав­ших­­ся поверхностных организмов происходят многочисленные случай­ные его контакты с автономными колониями серных бактерий. В каком-то из контактов продукты метаболизма бактерий стимулируют ре­ак­ции с участием крупных фрагментов ДНК, ответственных за кровенос­ную систему в одном из видов организмов, погибших на поверхности. Ведь термодинамические силы есть реальность и способны стимули­ро­вать результаты.

Современные не только эксперименты, но и промышленные био­тех­­но­­ло­­­гии, подтверждают возможность таких эффектов. Вероятность слу­­чай­ного воспро­из­ве­­дения деталей, необходимых для “оживления” фраг­­мен­тов ДНК в та­кой ситуации обсуждать не буду, так как есть про­тив неё веское и, казалось бы, бесспорное возражение. Колонии хемо­ли­то­ав­то­трофов нуждаются для метаболизма одновременно в кислороде и се­ро­во­дороде. Генетические задатки, содержащиеся в случайных фраг­мен­тах ДНК могут быть источником систем и их элементов для транс­пор­та этих продуктов преимущественно на основе гемоглобина. В силу реакции (4.1), основной для метаболизма с участием гемоглобина и по­яс­нений к ней в главе IV, электроны должны переноситься ци­то­хро­мами. 

Однако сульфид в обычных видах жизни напрочь блокирует при­со­единение кислорода к гемоглобину и нарушает работу цито­хро­­мов, а потому сероводород для них является силь­но­дейст­вующим ядом. В па­ра­графе 1 главы II я пояснял, что яд по определению есть вещество, ко­то­рое схоже с важнейшими для нормального мета­бо­лизма и может в нём участвовать. Оно становится ядом потому, что малые от­личия его мо­ле­кул от молекул необходимого для метаболизма вещества нарушают сог­ла­сованность реакций, что вызывает смерть организ­ма.

При сформированных отбором старших ступенях иерархии роста энтропии-информации объяс­нённый в главе IV детерминизм эволюции жизни зап­ре­щает крупные изменения гемоглобина и цитохромов. Серо­во­дород остаётся только и именно ядом. Когда случайно осуществляется взаимодействие фрагмента ДНК и серных бактерий старшие ступени иерархии должны возникнуть как результат этого взаимодействия. В этом важнейшим является сопряжение реакций – энергетическое и по составу продуктов. В части состава продуктов принцип структурной ком­племен­тар­ности содержит в себе необходимые гарантии. Они повы­ша­ются тем, что все поверхностные формы жизни имели в своей пред­ис­то­рии со­су­ще­ствование с сероводородом, а потому в их генетике в нера­бо­тающем виде неизбежно остались следы этого.

Энергетическое сопряжение биохимических реакций имеет пути объяс­нения, заданные работами [1], [105], [106]. Но ис­чер­пы­вающего объяснения его пока нет. В результате существует “обык­новенное чу­до” в виде энергетического сопряжения биохимичес­ких реакций. Оно по­ражает только узких специалистов, знакомых с его де­­талями. Для про­чих оно есть обыденная реальность, не интересная в силу своей массо­во­с­ти и безотказности. Но в случае гемоглобина пого­нофор сопряжение реакций стано­вит­ся “невероятным чудом”.

Следует отметить, что фрагменты ДНК поверхностных форм жиз­ни при синтезе информации о погонофорах должны работать в условиях высоких давлений, превышающих 250 атмосфер. Эти условия неизбежно должны изменить гетерокатализ, осуществляемый ДНК.

В результате молекулы гемоглобина по­го­нофор намного больше, чем обычные для разных видов жизни. В них сосуществуют два вида ре­це­пторов – один сопоставимый с обычным, присоединяющим кислород, а второй – специализированный для присо­е­ди­нения сульфида. Малые из­ме­нения, ко­торые привели к сосущест­во­ва­нию двух видов рецепторов у ге­мо­гло­би­на погонофор, специализиро­ва­ли их так, что перекрестное “ядо­витое” присоединение веществ стало не­воз­можным.

Кислород окисляет сульфи­ды. Реакции такого типа относятся к из­ме­няющим максимальные количества энергии. Если в одной молекуле сосуществуют рецепторы противоположных веществ таких реакций, то это означает большую прочность энергетических барьеров в ней, разде­ля­ющих вещество и его окислитель. Это синоним прочности запомина­ния гемоглобина, обладающего такими свойствами.

Этот гемоглобин несовместим с существующими старшими иерар­хическими уровнями организации кровообращения. В погонофорах это отражено тем, что он растворён в их крови, а не входит в состав авто­ном­ных клеток – красных кровяных телец.

Условие, ограничивающее случайности при сопряжении биохими­чес­ких реакций, включает в себя термодинамические силы (движущую силу эволю­ции). Именно она есть причина того, что единичный слу­чайный контакт какого-то определённого фрагмента ДНК с колонией хе­мо­литоавтотроф мо­жет вызвать сложнейшую цепочку взаимо­согласо­ван­ных реакций, позво­ляющих гемоглобину сформироваться так, что он одно­в­ременно перено­сит и сероводород, и кислород.

Существование разных видов жизни, реализующих симбиоз хемо­ли­то­автотрофов и высших форм жизни, показывает, что их гемоглобины и другие конкретные особенности в переносе сероводорода и кислорода индивидуальны для каждого из видов, но одновременно общие по прин­ципам. Это подчеркивает закономерность биохимического сопря­же­ния, возникающего как ответ на взаимодействие фрагментов ДНК разных поверхностных видов жизни с серными бактериями. Случайны в этом фраг­мен­ты ДНК, но движущая сила эволюции может привести на их ос­но­ве к запо­ми­на­е­мым в данных условиях резуль­татам. Синтез такой информации осуществляется в близ­киих, но не тождественных формах. Это в главе IV было определено как детер­минизм жизни. 

Закономерности в биохимическом сопряжении реакций для комп­лек­сной энтропии-информации входят в её действительную составляю­щую и увеличивают величину семантического коэффициента (1.30). Как и везде при возникновении и эволюции жизни синтез информации оп­ре­деляет в этом случае устойчивость, анализируемую в комплексной плос­кости. Пример погонофор показывает, что такие виды жизни свя­заны с большими запасами устойчивости и достаточно широкими обла­с­тями устойчивости, то есть с высокой ценностью и незаменимо­стью ге­не­тической информации у видов, которые поставляли свою ДНК как источник для симбиоза.

Для примера обитателей глубоководных гидротерм немаловажна и защита от сероводорода в тех их особенностях, которые мало отлича­ют­ся от реализованных в обычной кислородной атмосфере. Исследования, кратко отображённые в [104], показывают что её реализуют единичные бел­ки. Не исключено, что в ДНК большинства существующих видов жизни остались от предистории комбинации кодонов, необходимые для их синтеза, но что они репрессированы генами, необходимыми для кис­ло­родного метаболизма. Опять надо напомнить. Не исключено, что они нередко начинают работать и у наземных форм жизни, но у них они неизбежно несовместимы со старшими ступенями иерарахии энтропии-информации, а потому организм гибнет или разрушает их. “Наземная” ДНК при взаимодействиях в глубоководных гидротермах заново строит свои старшие иерархические ступени. Поэтому может быть разрешён синтез белков, невозможный в её первичной роли.

На дно океанов ежедневно опус­ка­ют­ся про­дукты распада форм жиз­ни в количестве порядка сотен граммов – ки­ло­грам­мов на квадрат­ный метр. Сохранность в них ДНК примерно одина­ко­вая. Площади, за­се­лён­ные хемолитоавтотрофами, в зоне гидротерм значительны по отно­ше­нию к их общим размерам. Поэтому систематически происходит по­па­дание фрагментов ДНК в зо­ны выделения продуктов метаболизма этих бак­те­рий. Как бы ни была мала вероятность контакта с ними такого фрагмента ДНК, который содержит информацию о сосудистой сис­теме, он может возникнуть. Но после этого в работу включаются за­ко­номер­но­с­ти. Поэтому одной “удачной пробы” достаточно для син­те­за всей це­поч­ки информации, необходимой для образования, например, по­го­но­фор. Это делает заметной вероятность такой “удачи”. 

Обычно в науке новые термины (как выше – движущая сила эво­люции) вводят для того, чтобы спрятать в них непонятное и необъяс­ни­мое. В данном случае это не так. Я знаю подробности определения и дейст­вия движущей силы эволюции и, с оговорками, могу объяснить её конкретную роль в данном примере. Но это есть самостоятельный боль­шой и сложный вопрос, сопряженный с понятиями, которые трудны для изложения в это книге. Существо дела изложено в [3]. Подробные обо­с­но­вания вынесены в книгу этого цик­ла [12].

Важен итог. Реальные примеры существующих живых организмов показывают, что возможно скачкообразное возникновение новых таксо­но­мических видов, сопровождающееся изощрёнными приспособитель­ны­ми связями, формируемыми закономерно в ответ на не слишком ред­кую случайность. Экзотические примеры такого видообразования только подчёркивают его существенность в обыденном.

Изложенное выше, конечно, есть только указание пути, на котором можно получить результаты. Экспериментальная модель погонофор или перечисленных выше видов с подобным симбиозом не есть лучшая для экспериментов, так как велики трудности доставки в лаборато­рии глубо­ко­водных форм жизни и их культивирования. Подобное скачкообразное видообразование (в том числе и в системах кровоообра­ще­­ния), навер­няка, можно найти и в наземных формах жизни. Но пси­хо­ло­гически это намного труднее.

Было бы очень интересно, если бы кто-то из читателей этой книги, использовав методики био­технологий, поставил эксперименты по взаи­мо­действию при высо­ких давлениях хемолитоавтотрофов и фрагментов ДНК современных форм жизни. В этом есть много трудностей, но, не­сом­ненно, что результат в виде скачкообразного видо­об­ра­зования оправ­дает усилия для их преодоления.