Бэттлер, Алекс. Диалектика силы

Подождите немного. Документ загружается.

141

ден, "...все живущие организмы происходят от одной-единственной прароди-

тельной группировки (случай кристалла, попадающего в перенасыщенную сре-

ду)"

. Это п редполагает, что должно быть такое невероятное сочетание случай-

ностей, которое позволило бы некоторой группе атомов объединиться в молеку-

лы, а затем в макромолекулы, а затем в клетки и т.д., чтобы в конечном счете по-

родить жизнь. (К теме "случайности" мы еще вернемся.) Сила вещества (атомов)

через всевозможные химические реакции перешла в силу жизни, проявляясь че-

рез белки и нуклеиновые кислоты. Рассмотрим некоторые процессы чуть по-

дробнее.

Формально все химические элементы живого организма присутствуют и в

космосе, и на Земле. Но только в последнем случае в результате химических

преобразований, начиная, скажем, с альдегидов, на выходе получается протеин

(фермент), фосфолипиды (мембрана) и ДНК с РНК. Оказывается, чтобы произо-

шли необходимые реакции, нужна жидкая вода, которая отсутствует в космосе

(хотя она присутствует там в большом количестве в в иде трехатомной молекулы).

Именно жидкая вода требуется для поликонденсаций на нижних ступенях хими-

ческих реакций. Но и это еще не все. Остается вопрос, что в конечном счете пре-

вращает эти ферменты, мембраны и ДНК в "работающий механизм"?

Французский ученый Арман Дельсам полагает, что на этот вопрос отвечает

концепция "диссипативной структуры", предложенная бельгийским ученым (ла-

уреатом Нобелевской премии по химии в 1977 г.) Ильей Пригожиным

Ее суть заключается в том, что диссипативная структура есть химическая си-

стема, организованная вне термодинамического развития. Кажется, будто бы она

отвергает второй закон термодинамики, который утверждает, что энтропия (ко-

торая есть мера неиспользованной энергии – еще одно определение) не может

уменьшаться в закрытых системах. Но диссипативная структура является откры-

той системой, которая постоянно пересекается потоками материи и энергии.

(Фактически нет ни одной структуры во Вселенной, которая бы не пересекалась

материей и/или энергией.) А это позволяет энтропии уменьшаться, и система

становится организованной (структурированной).

Шарден, с. 84.

См.: Delsemme, 146–149.

142

Суть пригожинской идеи заключается в том, что в диссипативных структу-

рах процессы происходят по принципам нелинейных связей, поддерживающих

равновесие. Такие нелинейные связи, или системы, могут порождать серию "ви-

лок", которые разветвляются в более сложную внутреннюю организацию и, как

следствие, уменьшать энтропию.

Дело в том, что нелинейные системы имеют схемы обратной связи. Мы,

например, знакомы с этой схемой, контролирующей систему центрального отоп-

ления. Изменение в температуре меняет количество произведенного тепла. Это и

есть схема обратной связи, так как изменение в действии есть обратная связь,

которая изменяет ее причину. В химических системах, когда схема обратной

связи четко нелинейная, как в автокатализе, активизация или торможение реак-

ций переводит систему в иерархическое все более и более сложное состояние.

Эту идею применительно к происхождению жизни выразил немецкий химик

Манфред Эйген, лауреат Нобелевской премии по химии 1967 г. Он исходил из

дарвиновской идеи выживаемости наиболее приспособленных к уровню добио-

логических химических реакций. В этом случае это означало выживание молекул,

которые оказались наиболее подходящими к воспроизводству на матрице, воз-

можно, поначалу минерального образца. Постепенно такая матрица, двигаясь к

органической молекуле, могла привести к лестнице все большей и большей

усложненности.

Ныне дискутируется тема, чтó это были за первые молекулы, которые затем

оказались способными к репродукции. Французский биохимик Андре Брак пола-

гает, что ими были короткие нити аминокислот, которые смогли сформировать

пептиды (пептид – очень короткий протеин, состоящий из немногих аминокис-

лот) перед появлением РНК.

Открытие того факта, что РНК провоцирует автокатализ, привело к предпо-

ложению, что "мир РНК" появился раньше "мира ДНК". Автокатализ означал,

что РНК может спонтанно изменять себя. Канадец Сидней Альтман и америка-

нец Томас Сеч открыли, что рибосомы (или ферменты, состоящие из РНК) спо-

собны к автокатализу. За это открытие они удостоились Нобелевской премии в

1989 г. Эти исследования были продолжены. Через несколько лет американцы

Дебора Л. Робертсон и Гарольд Ф. Джойс (Институт клинических исследований,

143

Ла Джойя, Калифорния), синтезировав фрагменты РНК, обнаружили, что РНК

выделяет органический материал в свою окружающую среду, который воспроиз-

водит свои же копии. Через некоторое время копии начинают развиваться и вы-

рабатывать новые неожиданные химические свойства. Исследователи полагают в

этой связи, что первыми молекулами, способными воспроизводить себя и под-

держивать катализ, видимо, были нуклеиновые кислоты

Концепция "мира РНК" довольно подробно описана, а в некоторых ее частях

и развита российским биологом академиком А.С. Спириным, который просле-

живает эволюцию РНК до клетки по схеме: абиогенные рибонуклеотиды – оли-

горибонуклеотиды – полирибонуклеотиды – каталитические активности (ри-

бозимы) – самопроцессирующиеся и самореплицирующиеся молекулы РНК –

синтез белка – коацерваты – клетки

. Судя по всему, этой же версии придержи-

вается и Л. Оргель.

Однако бельгиец Христиан Дедюв, лауреат Нобелевской премии по меди-

цине в 1974 г. за открытие лизосома (пищеварительный органоид в клетке), по-

лагал, что автокатализ РНК слишком ограничен и протекает слишком медленно,

чтобы объяснить соперничество, придерживаясь интерпретации Эйгена. Главная

проблема для примитивных РНК – это требование прикрепить фосфат к пурину

или пиримидину, прежде чем полимеризировать нуклеиды, чтобы у них получи-

лась нитка РНК. Как и Брак, Дедюв считает, что ход теоретических рассуждений

и наблюдений ведет к тому, что протеины возникли как маленькие полип ептиды

длиной в 10 или в лучшем случае 12 аминокислот, а затем они были собраны

один за одним для их функционирования. Неважно – через структуру или ката-

лиз. Центральной и оригинальной идеей Дедюва является роль сероэфирного

звена (иногда говорят: тиостерного звена: "тио" – сера, "эстер" – эфир) из-за его

высокого энергетического уровня и из-за водноокислительных свойств, доста-

точных для растворения кальциевого фосфата, существующего в скалах. Таким

образом, "сероэфирный мир", может быть, является отсутствующим звеном, все

еще спрятанным на "заре времени".

Иной точки зрения на отсутствующее звено придерживается британский

биохимик А. Грэхем Кернс-Смит из университета в Глазго. Эволюция, по его

See: Once upon 3.8 billion. – www.geocities.com.

Спирин А.С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни.

144

мнению, не всегда зависела, как нередко утверждается, от тесных связей нуклеи-

новых кислот с протеинами. Он полагает, что первыми организмами был класс

коллоидных минеральных кристаллов, которые постоянно формировались в от-

крытых системах, уже следуя законам естественного отбора и эволюции. Неко-

торые из этих примитивных развивающихся организмов уже могли начинать со-

здавать органические молекулы с помощью фотосинтеза, т.е. используя солнеч-

ный свет. Генетический контроль постепенно освоили только аминокислоты.

Жизнь могла начаться в глиноподобных минералах

, и фосфаты могли помочь

переходу к органическим молекулам.

Хочу обратить внимание на идею "глины", на важность которой указывал

еще Дж. Бернал. Дело в том, что глина накапливает энергию, трансформирует ее

и освобождает в форме химической энергии, которая может действовать в хими-

ческих реакциях. Глина также может действовать как буфер и даже быть матри-

цей. Кернс-Смит на основе опытов с микроскопическими кристаллами различно-

го типа металлов, соединенных с глиной, обнаружил, что они в процессе роста

повторяются. Он предположил, что это может иметь отношение к первичной

матрице, в которой определенные молекулы могли воспроизводить себя. В ре-

зультате он пришел к заключению, что глина могла быть первичной матрицей

для самовоспроизводящихся систем

Некоторые исследователи, однако, полагают, что в результате мутаций и се-

лекций этих простых и молекулярных систем глина в качестве матрицы могла

постепенно быть заменена другими молекулами.

Существуют и другие сценарии, объясняющие, как могут простые молекулы

произвести большее количество молекул. Упоминавшийся Сидней Фокс с колле-

гами наблюдал самопроизвольное возни кновение молекулярных границ между

протеино-ядерными системами. Они нагревали аминокислоты в сухих условиях

и установили , что в ходе этого процесса возникали звенья длинных полипепти-

дов. Эти полипептиды затем помещали в раствор горячей воды, в результате чего

полипептиды по мере их охлаждения соединялись в маленькие сферы. Внутри

Вспомните библию. Clay не случайно означает глину и человеческую плоть.

Одна из русских газет (Известия за октябрь 2003 г.) в этой связи разразилась статьей, в ко-

торой провозгласил а, что "библейский вариант" возникновения жизни "доказан научно", имея,

видимо, в виду, что бог слепил Адама и Лили т (по легенде, а также в Талмуде первая "жена"

Адама) из глины. Потом, судя по всему, бог передумал и уже вторую жену Адам а – Еву он

смастерил из его ребра. Причем на все у него ушел всего лишь один день.

145

этих сферических мембран, или в микросферах, возникали определенные веще-

ства, или субстанции. Кроме того, липиды, располагавшиеся на поверхности рас-

твора, проникали в мембраны, создавая тем самым липопротеидную мембрану.

Еще одним недостающим звеном к добактериальному периоду можно отне-

сти, по предположению некоторых ученых, молекулы полициклических арома-

тических гидрокарбонатов (ПАГ), весьма распространенных в межзвездном кос-

мическом пространстве. Они составляют до половины органических веществ,

присутствующих в углеродистых хондритах – наиболее распространенном типе

метеоритов, поп адающих на Землю вместе с другими видами космической пыли

с момента ее образования. В начале 80-х годов XX века химик Эверетт Шок по-

казал, что ПАГ могут вступать в химические реакции, образуя аминокислоты.

Через некоторое время выяснилось, что под действием ультрафиолетового излу-

чения они могут преобразовываться в спирты и хиноны. И хотя ПА Г в живых

клетках не встречаются, эти органические вещества могут легко преобразовы-

ваться в другие, без которых жизнь невозможна. По крайней мере и сследования

химика Ричарда Зара из Стэнфордского университета показали, что они содер-

жатся в метеоритах, из которых формировалась Солнечная система, включая и

нашу планету

Существует еще одна точка зрения, известная как теория "локального" воз-

никновения жизни на Земле. Этой теории придерживался, в частности, советский

ученый Л .М. Мухин, который полагает, что жизнь могла возникнуть в области

подводных вулканов, где могли осуществляться простые соединения молекул,

необходимые для синтеза органических веществ, например, цианистого водорода

и формальдегида. Механизм реакций этих веществ подробно описан в работах

Оро и К. Поннамперумы, на которые ссылается Мухин. Сам же он описывает

другие реакции в образовании сложных молекул, не требующих наличия метано-

аммиачной атмосферы

Эта теория имеет немало приверженцев, считающих, что на поверхности

земли (в лагунах, водоемах или скалах) зарождающиеся организмы вряд ли бы

См.: Интернет. grani.ru. 27.08. 2002.

См.: Шкловский, с. 149.

146

выжили, прежде всего из-за постоянных бомбардировок со стороны космоса

Совсем недавно Вильямом Мартином из университета Генриха Гейне в Дюс-

сельдорфе и Майклом Расселом из Университета Шотландии (Глазго) была вы-

двинута еще одна версия "подводной" теории, в соответствии с которой первые

живые организмы на Земле могли появиться внутри камней, выстилающих дно

океана. Более 4 млрд лет назад крошечные полости внутри минералов могли вы-

ступить в роли клеток. Ключевой момент в этой теории – отложения сульфида

железа (FeS). В горячих источниках на морском дне это соединение образует

"соты" с ячейками шириной в несколько сотых миллиметра. Как считают Мар-

тин и Рассел, эти ячейки – идеальное место для возникновения жизни. По срав-

нению с другими гипотезами возникновения жизни на Земле теория Мартина и

Рассела уникальна тем, что она предполагает, что возникновение клетки предше-

ствовало возникновению белков и самореплицирующихся молекул. С притоком

горячей воды в ячейки попадают ионы аммония (NH

) и монооксид углерода

(CO), и сульфид железа выступает в роли одного из катализаторов синтеза орга-

нических веществ из неорганики. Простые соединения концентрировались в

"камерах" из сульфида железа, что могло привести к возникновению сложных

молекул – белков и нуклеиновых кислот.

В научных журналах чуть ли не ежемесячно появляются сведения об откры-

тиях тех или иных "недостающих звеньев" в длинной нити эволюционного раз-

вития органического мира, в особенности на уровне вирусов–бактерий–клеток.

Некоторые из этих открытий подтверждаются последующими исследованиями,

некоторые – не подтверждаются. Но при всем этом важно то, что "белые пятна"

эволюционного процесса заполняются именно научными фактами, а не домыс-

лами мистического содержания. В прикладной органике также существуют спо-

ры о происхождении жизни, но эти споры относятся в основном к частным про-

блемам эволюции. Среди них мне не попадались такие, которые ставили бы под

сомнение саму эволюцию. Однако таковых тоже немало, правда, среди теорети-

ков органики. Рассмотрим некоторые концепции, которые обсуждаются в науч-

ной литературе.

Схожей точки зрения придерживается Пол Дэйвис. См.: Davies, Paul, The Fifth Miracle. The

Search for the Origin of Life, chapter 7.

147

2. Биогенез и энтропия

В предыдущей главе, где речь шла о Вселенной и Большом взрыве, мы неод-

нократно обращались ко второму закону термодинамики. Но этот же закон зани-

мает не менее в ажное место и среди различных теорий происхождения жизни на

Земле. Достаточно напомнить известное высказывание Л. Больцмана, сделанное

им в 1886 г.: "Всеобщая борьба за существование не является борьбой ни за ба-

зовые вещества, ...ни за энергию. Это борьба за энтропию, становящуюся до-

ступной при переходе от пылающего солнца к холодной земле"

. Эта идея иссле-

довалась в работах таких крупных ученых, как Г. Гельмгольц, А. Эддингтон, К.А.

Тимирязев, Э.С. Бауэр, и многих других, которые уже упоминались или будут

упомянуты. Однако интерпретация этой идеи среди биологов поразительно ши-

рока: от сведения самой эволюции ко второму закону до полного его игнориро-

вания. Между этими крайностями существуют промежуточные подходы, бази-

рующиеся на утверждении об ограниченном действии данного закона в органи-

ческом мире. Поскольку второй закон термодинамики, или закон возрастания

энтропии, весьма важен в контексте данного исследования, попробуем разо-

браться в логике авторов каждого из обозначенных подходов.

Эволюция = энтропия

Представителями концепции ун иверсализации второго закона термодинами-

ки являются биологи из Канады и США – Даниель Р. Брукс и Е. О. Уайли, кото-

рые названием своей книги "Эволюция как энтропия" сразу же утверждают:

"биологическая эволюция есть энтропийный процесс"

. Уже в своем Предисло-

вии, оговорив, что их анализ строится на базе концепции энтропии и информа-

ции, авторы бросают вызов многим биологам или школам, выдвигая три тезиса.

Цитирую: "1) они (энтропия и информация. – А. Б.) представляют связь между

биологическими процессами и естественными физическими законами, показывая,

что биологические системы не управляются специальными законами биологии; 2)

Цит. по: Davies, 26.

Brooks, Daniel R., Wiley E.O., Evolution as Entropy, р. x.

148

они представляют средства для демонстрации истинности неслучайного, внут-

ренне вызванного эволюционного изменения; и 3) они предоставляют концепту-

альное звено для побочных гипотез" (там же).

Авторы фактически утверждают, что в биологии нет специальных законов и

что эволюционный процесс не является случайным. Чтобы доказать это, они по-

стулируют два момента: живые системы должны усложняться и самоорганизо-

вываться

. Причем этот процесс происходит "не за счет", а "в результате" увели-

чения энтропии (p. xii). Рассмотрим логику их рассуждений.

Они напоминают, что в микромире время независимо и обратимо, в макро-

мире оно зависимо и необратимо. Следовательно, один из атрибутов материи в

двух мирах проявляется кардинально по-разному. Более того, необратимость

времени в макромире придает второму закону термодинамики историчность, по-

скольку история тоже необратима. Авторы при этом указывают, что подобная

идея была высказана еще задолго до них, например А. Дж. Лоткой в 1924 г., ко-

торый практически синонимизировал два понятия – второй закон термодинами-

ки (т.е. закон возрастания энтропии) и э волюцию, поскольку оба утверждают не-

обратимость истории (р.5).

Здесь придется повторить некоторые положения, касающиеся энтропии, ко-

торые были сделаны в предыдущей главе. Закон постулирует, что любая закры-

тая система движется к максимизации энтропии до состояния равновесия, озна-

чающего смерть. Но поскольку различные системы могут работать в качественно

отличных скоростных режимах, то между ними возникает как бы асимметрия,

несовпадение скоростей, температур и т.д. Эта очевидность необходима авторам

для того, чтобы подчеркнуть: "Системы, которые еще не находятся в равновесии,

а также если они могут удерживаться на определенной дистанции от равновесно-

го состояния, вырабатывают свободную энергию" (р.4–5), т.е. уменьшают энтро-

пию. "'Расстояние' от равновесия есть манифестация порядка, или организация

системы" (р.5).

Брукс и Уайли обращают внимание на кажущееся противоречие между вто-

рым законом и эволюцией, имея в виду, что направленное изменение во Вселен-

Очевидно, эти "два момента" являются ни чем иным, как принципом градации Ж.Б. Ламарка, в

соответствии с которым развитие органического мира идет в направ лении постеп енного совер-

шенствования и усложнения организма.

149

ной должно вести к увеличению энтропии, т.е. к беспорядку, в то время как эво-

люция ведет к уменьшению энтропии, т.е. к большему порядку. Они при этом

ссылаются на Э. Шредингера, который еще в 1945 г. объяснял это противоречие

тем, что само существование живых систем зависит от увеличения энтропии "в

их локальных окружениях". Таким образом, мог выработаться баланс: уменьша-

ющаяся энтропия жизни компенсировалась увеличением энтропии Вселенной

как целостности. Следовательно, второй закон не нарушается, а просто обходит-

ся на локальных участках за счет глобального увеличения энтропии (там же).

Мне же такой ход рассуждений представляется необоснованным хотя бы уже

потому, что "балансирующие стороны" слишком неадекватны друг другу. Орга-

нический мир представляет собой столь мизерную величину во Вселенной, что

она просто его "не замечает". (Точнее: почти не замечает.) Скорее всего, эта вза-

имосвязь строится каким-то иным способом.

Авторы подчеркивают, что многие связывали второй закон термодинамики с

теми или иными атрибутами организма (например, с генами, цитоплазмой и т.д.),

чтобы найти разграничительную черту между живой и неживой природой. Они

же утверждают, что сама "эволюция есть энтропийный принцип" (там же).

В принципе против этого тезиса трудно возражать, поскольку не только эво-

люция, но и абсолютно все, что находится во Вселенной, подчиняется второму

закону термодинамики и является, таким образом, энтропийным феноменом.

Проблема-то заключается в том, чтобы выяснить, как реагируют различные виды

бытия на этот физи ческий закон, другими словами, какими законами или зако-

номерностями, если есть таковые, "отвечают" они на второй закон термодинами-

ки.

Брукс и Уайли, например, указывают, что живой мир не хаотичен, он упоря-

дочен, организован и предсказуем (р.34). Пока примем к сведению.

Далее. Порядок проявляется в том, что, во-первых, живой мир состоит из ин-

тегрированных рабочих систем и подсистем, во-вторых, они соотносятся друг с

другом в иерархической последовательности. А также: "Порядок и разнообразие

естественного мира имеют свои формы в воспроизв одстве, развитии и смерти.

Все три имеют одну общую особенность: они являются необратимыми процес-

сами" (р.35).

150

Это верно, но об этих вещах писали почти все эв олюционисты, обходясь без

энтропии.

И что же дальше? "Живые системы обмениваются материей и энергией с

окружающей средой, сохраняя свою индивидуальность" (р.36). Естественно, они

теряют ее только со смертью. Живые организмы – открытые системы, позволя-

ющие им впитывать энергию. Но это не объясняет структуру живого организма и

механизм его работы. Последние определяются внутренними свойствами орга-

низма. За счет чего? "Индивидуальный организм изначально ограничен или ча-

стично закрыт с точки зрения 'эпигенетической (вторичной, побочной. – А.Б.)

информации', т.е. сумма всей генетической и цитоплазменной информации опре-

деляет структуру этих организмов" (р.38). Иначе говоря, "эпигенетическая ин-

формация", которая не пришла извне, являет собой внутреннее ограничение или

первоначальное условие, что делает организм частично закрытым.

Это не совсем так. На определенном, продвинутом этапе, возможно, это так,

но ведь был период, когда сами носители информации, например ДНК, истори-

чески предшествовали "организму" и были столь же открыты или являли собой

целостность, как и последующий "организм" типа прокариота или эукариота.

Здесь же мы видим описание сложившихся, видимо, более сложных организмов.

Брукс и Уайли далее пишут, что организм в силу того же второго закона термо-

динамики так или иначе должен погибнуть, но "генеалогическая линия организ-

ма может избежать термодинамического равновесия через воспроизводство"

(р.39).

Это верно. Но главное, на что стоило бы здесь обратить внимание, что стоха-

стические процессы (потоки энергии) пересекаются с детерминистскими дина-

мичными явлениями, т.е. энергия – рассеивается (диссипатирует), материя – пре-

вращается, или, иначе, онтогенез переходит в филогенез, т.е. организм переходит

в вид. Индивидуальный организм, подчиняясь второму закону термодинамики,

погибает, но, переходя в индивидуальный вид, продолжает жить, как бы "обма-

нывает" второй закон термодинамики. Проблема в том, что сами индивидуаль-

ные виды – диссипативные структуры, имеющие свои ограничения, которые вы-

нуждают их в конце концов погибать и в то же время сохраняться через род,

опять же как бы обходя второй закон термодинамики. Следующий, еще более