Горбачев В.В. Концепция современного естествознания
Подождите немного. Документ загружается.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
221
К изучению влияния радиации на живой организм ученый снова вернулся во
время своей работы на Урале, после пребывания в лагере, в котором он
оказался по приговору Военной коллегии Верховного Суда СССР от 4 июля
1946 г, после ареста в Берлине, когда он был обвинен в невозвращении на
Родину в 1937 г. и в том, что остался жить и работать в фашистской Германии,
якобы сотрудничая с нацистами. Эта чудовищная клевета преследовала его
вплоть до самой смерти в Обнинске в 1981 г.
Н.В. Тимофеев-Ресовский и в гитлеровской Германии оставался патриотом
России. Он устраивал на работу в свою лабораторию в Берлин-Бухе советских и
иностранных военнопленных и помогал им, выписывая фиктивные документы.
Его старший сын был участником антифашистского Сопротивления и погиб в
концлагере незадолго до Победы в 1945 г. Доброе имя Н.В. Тимофеева-
Ресовского было реабилитировано совсем недавно, в 1992 г.
Находясь в заключении, Николай Владимирович продолжал служить науке.
Вместе со своей женой Еленой Александровной, как говорили его друзья и
коллеги, — добрым ангелом-хранителем и надежной опорой во всех научных и
житейских делах, он получил важные экспериментальные результаты по
накоплению ра-
диоактивных нуклидов и изотопов в биосистемах. Как отмечал директор
радиологического научного центра в Обнинске академик РАМН А. Цыб, эти
результаты фактически сформулировали основу биологической защиты от
радиоактивных загрязнений, определив коэффициенты распределения
изотопов между биологическими объектами и окружающей средой. Эти идеи
широко используются сейчас на практике, в частности для устранения
отдаленных последствий чернобыльской катастрофы, а также для очистки
водоемов в промышленных масштабах.
Н.В. Тимофеев-Ресовский был членом многих иностранных академий и
научных обществ, награжден за вклад в радиационную генетику научными
наградами, самой дорогой из которых для него была Дарвиновская медаль,
присужденная ему в 1959 г. в Германии. Достижения ученых-генетиков
отмечаются этой медалью один раз в десять лет. Н.В. Тимофеев-Ресовский был
остроумным человеком с русским размахом души, многие точные (и сочные!)
его слова давно стали афоризмами в среде ученых. Вот один из его афоризмов:
«Главное в жизни и науке — отличить существенное от несущественного». Это
высказывание было выгравировано на именной медали в его честь, которой
награждаются выдающиеся ученые. Но даже самые глубокие свои работы
выполнялись, по его любимому выражению, «без звериной серьезности». Он
был яркой личностью и завещал своим многочисленным ученикам никогда не
терять достоинства, оптимизма и юмора. Писатель Д. Гранин написал о нем
замечательную книгу «Зубр», был снят фильм о нем.
Николай Владимирович любил жизнь, и она отвечала ему взаимностью.
13.3.2. Мутации и развитие организма
С возникновением мутаций связана и проблема старения организма. Информационные
молекулы наследственности ДНК, которые содержат информацию для построения других
биомакромолекул, в результате действия мутаций повреждаются. В настоящее время
установлено, что именно вследствие потери части информации, хранящейся в ДНК, и
происходит старение. Старение — это накопление дефектов в ДНК. Продолжительность
жизни определяется способностью репаративных (восстанавливающих) ферментов
«ремонтировать» поврежденные участки ДНК и тем самым сохранять информацию.
370
Жизнедеятельность организма обусловлена возможностью его клеток возобновляться,
что и происходит при делении половых клеток, — образуются новые клетки. Однако в
человеческом организме есть соматические клетки, которые неспособны делиться и
сохраняются до конца жизни. Это незаменимые клетки мозга — нейроны и мышечные
клетки. Их число в процессе Жизнедеятельности может только уменьшиться.
Существуют также заменимые клетки, которые не способны к самовоспроизведению
путем деления, но постоянно образуются из других клеток особого типа. Такими
клетками являются клетки крови — эритроциты, клетки кишечного эпителия и
поверхностного слоя
371
кожи. Если же в организме не происходит постоянного обновления клеток, то он
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
222
становится нежизнеспособным и в конце концов гибнет.
Поскольку мутации происходят и в неделящихся соматических клетках, то мутации
будут определять максимальную продолжительность жизни. Поэтому образно можно
сказать и так: пока есть мутации, есть и жизнь, хотя в большинстве случаев мутации
вредны, так как многие из них приводят к гибели клеток или вносят серьезные нарушения
в сбалансированную систему биохимических реакций в организме.
Значительная часть мутаций рецессивна и не проявляется у гетерозигот, что очень
важно для существования вида. Обладатели же вредных доминантных мутаций часто
оказываются нежизнеспособными и погибают на ранних стадиях жизни. В целом же
благодаря мутационному процессу возникают новые различные варианты генов, которые
составляют резерв наследственной изменчивости. Если происходит изменение условий
внешней среды, то мутации, обеспечивающие этот резерв и будучи даже вредными в
старой среде, могут оказаться полезными в новой. Тогда организмы — носители таких
мутаций — получают преимущество при естественном отборе. Поэтому в популяции
фиксируются наиболее выгодные мутации, которые дают организму необходимое
преимущество при выживании.
Отметим, что понятия дискретных единиц (генов) и дискретности переходов
(мутаций) позволяют применять представления квантовой механики в молекулярной
биологии. Поэтому механизм наследственности может быть объяснен квантовой теорией.
Переходы в микродискретных состояниях являются квантовыми переходами.
Квантованным состояниям сопоставляются соответствующие энергетические уровни, и,
следовательно, изменения энергии происходят квантованно. Сама мутация может
рассматриваться как квантовый переход, и описание биологических структур клеток и
генов можно вести на энергетическом языке квантовой системы.
Таким образом, мутации — это главные поставщики эволюционного материала.
Однако мутационные изменения являются принципиально случайными процессами и
подчиняются статистическим законам. Вероятностные закономерности — закон Менделя
комбинирования генов при скрещивании и закон Моргана совместного наследования
сцепления генов — имеют фундаментальный характер в молекулярной генетике и
биологии. Картина мутаций подчиняется закону гомологических рядов
372
Н.И. Вавилова, также имеющих вероятностный характер. Поэтому мутации не могут
являться определяющим фактором эволюционного процесса. Тем не менее генетика
подводит научную базу под дарвиновскую теорию происхождения и эволюции видов,
объясняя ее как отбор случайных изменений генетических программ, обусловленных
мутациями и закрепленными в них полезными признаками.
13.4. Матричный принцип синтеза информационных макромолекул и
молекулярная генетика
Одинокая молекула ДНК, породившая некогда на берегу первобытного
океана всю остальную жизнь, выглядит пожалуй, еще менее правдоподобно,
чем Адам в райском саду.
Дж. Бернал
Природа всегда действует простейшим образом.
И. Бернулли
Носителями информации являются молекулы ДНК и РНК. Они выполняют три
основные функции: самовоспроизведение, хранение информации и реализацию этой
информации в процессе роста новых клеток. Сама генетическая информация в ДНК
закодирована химическим способом в виде последовательности нуклеотидов. Молекулы
ДНК и РНК, принадлежащие к одному классу нуклеиновых кислот, состоят из одних и
тех же нуклеотидов. Однако есть и различия: в одном из азотистых оснований вместо
тимина у молекулы ДНК в состав РНК входит урацил, а в сахарах вместо дезоксирибозы
у ДНК в молекулах РНК находится рибоза. Кроме того, молекула РНК одноцепочечная, в
то время как ДНК — двухцепочечная. Каким же образом эта информация, заключенная в
молекулах ДНК, участвует в производстве белка?
13.4.1. Передача наследственной информации через репликации
В автокатализе проявляется принцип комплементарного достраивания друг к другу
четырех нуклеотидов ДНК, и при этом последовательность оснований в одной цепи ДНК
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
223
в точности предопределяет последовательность оснований в другой, причем первая цепь
выполняет роль матрицы для второй.
373
Рис. 13.1. Репликация ДНК.
Первый этап передачи наследственной информации состоит в удвоении цепочек
молекул ДНК (рис. 13.1) и называется репликацией. Практически вдоль каждой цепи
появляется еще одна аналогичная цепь. Это и есть процесс автокатализа —
производства идентичных копий, как в процессе печатания фотографий.
При размножении две спирали материнской молекулы ДНК расходятся и каждая
становится матрицей для воспроизводства новых цепей. Каждая из двух образовавшихся
цепей молекулы ДНК включает, таким образом, одну старую полинуклеотидную цепь и
одну новую. Процесс репликации идет с большой точностью и большой скоростью при
наличии особого фермента — ДНК-полимеразы. На самосборку молекулы ДНК из 40
тыс. нуклеотидов требуется всего 100 секунд. Поскольку молекула ДНК является
носителем генетического кода, то в том, что новая молекула ДНК идентична старой,
природой заложен глубокий смысл. Нарушение структуры молекул ДНК приводит к
нарушению генетического кода, а это делает невозможным сохранение и передачу
необходимой генетической информации, обеспечивающей развитие признаков, присущих
организму.
Так как все молекулы ДНК построены в определенной последовательности из
одинаковых нуклеотидов, то это доказывает также, что все биологические структуры
используют одинаковый тип генетического кода. Таким образом, способность клеток к
самовоспроизведению обусловлена свойством ДНК к самокопированию и равноценному
распределению репродукционных хромосом. После такого разделения хромосом в ядре
клетка уже может делиться на две идентичные клетки, а поскольку каждая
374
клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в
результате многократных делений, то все клетки организма имеют одинаковый набор
генов.
13.4.2. Матричный синтез путем конвариантной редупликации
Любая сложная молекулярная структура претерпевает изменения в результате
беспорядочного теплового движения ее атомов и молекул. Поэтому происходит не
абсолютно точное повторение, а воспроизведение цепочек молекул ДНК с внесением
некоторых изменений, хотя сама система управляющих параметров (ДНК, хромосом и
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
224
генов), как матрица наследственных признаков имеет большую степень стабильности.
Эта стабильность и обеспечивает сам процесс передачи наследственных признаков при
идентичном самовоспроизведении. Несмотря на то что в природе абсолютной
стабильности, конечно, нет, все основные свойства живого немыслимы без передачи
наследственной информации от поколения к поколению. Такой процесс
самовоспроизведения с изменениями, осуществляемый на основе матричного синтеза,
называется конвариантной редупликацией. Конвариантная редупликация обеспечивает
передачу по наследству не только генетической основы, но и дискретных отклонений от
исходных состояний, т.е. мутаций.
13.4.3. Транскрипция
Вторым этапом передачи наследственной информации является перенос
генетического кода с молекул ДНК на молекулы РНК путем образования
одноцепочечной молекулы информационной молекулы РНК (тРНК) на одной цепи ДНК.
ЭТОТ процесс осуществляется следующим образом. Когда двойная спираль молекулы
ДНК раскручивается и вдоль нее движется фермент, выстраивающий нуклеотиды РНК
против соответствующих нуклеотидов ДНК, мономеры соединяются и образуется
длинная цепь молекул РНК. Это и есть матричный синтез информационной молекулы
тРНК на ДНК, называемый транскрипцией (переписыванием). Каждая биохимическая
реакция в организме является по существу процессом передачи информации и протекает
в присутствии определенного фермента. Молекула реагирующего вещества (субстрата)
является сигнальным устройством для
375
своего приемника — фермента. Под действием этого сигнала происходят изменение
информации, структуры фермента, который таким образом играет роль устройства,
перекодирующего химическую информацию, и организация соответствия типа «замок —
ключ».
Как удачно отметил Б.М. Медников [14], «генетическая программа не признает
омонимов, и каламбуры здесь строжайше запрещены». Регуляторным механизмом как
раз и являются различные системы ферментов, которые выбирают соответствующие
нуклеотиды, контролируют возможные ошибки «узнавания» этого соответствия ДНК и
РНК и в случае необходимости исправляют их. При этом и здесь выполняются
энергетические законы. Напротив основания родительской цепи может встать любой из
четырех нуклеотидов, но присоединение комплементарного более выгодно.
Роль молекул ферментов в качестве устройств для опознавания необходимых мест
присоединения других молекул или даже «устранения использованных» в клетках живых
организмов исключительна велика. Так, недавно была установлена причина исчезновения
отцовских митохондрий после слияния половых клеток яйцеклеток и сперматозоидов.
Женская митохондрия остается, а отцовская пропадает. Считается, что именно поэтому
зародыш не получает излишнего генетического материала, способного привести к
уродству или даже смерти. Например, именно присутствием двойного набора
митохондрий объясняется высокая смертность среди новорожденных клонированных
млекопитающих.
Митохондрии наследуются исключительно от матери, однако механизм быстрого
обнаружения и устранения отцовской копии до недавнего времени был неизвестен. В
1999 г. американский биохимик Сутовски установил, что эту необходимую
«обязанность» выполняют протеиновые молекулы убиквитина, которые «помечают»
белки, предназначенные для разборки на аминокислоты.
13.4.4. Трансляция
Процесс воспроизводства, связанный с использованием генетической информации,
реализуется на следующем этапе. Инструкции в виде матричной тРНК передаются
рибосомам, которые отвечают за синтез клеточного белка. Теперь уже информа-
376
ция о том, как, из чего и когда надо строить белок клетки, т.е. «технологический
проект» строительства белка, заключена в тРНК. Транспортная тРНК переносит
конструкцию из аминокислот к рибосомам, и на рибосомной рРНК синтезируются
молекулы белка. Образно говоря, рибосомы выступают как «фабрика» по производству
молекул белка. Схема биосинтеза белка в рибосоме показана на рис. 13.2. Этот процесс
переноса аминокислот на основе генетического кода информационной тРНК и
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
225
образование цепей называется трансляцией. Последовательность нуклеотидов, несущая
информацию в ДНК, определяет через молекулы РНК последовательность аминокислот в
Рис. 13.2. Схема биосинтеза белков.
377
белке. Этот процесс схематически представляется как ДНК <-> РНК -> белок (рис.
13.3).
Таким образом, передача генетических инструкций происходит наиболее сжатым и
экономичным способом по единому принципу конструкции матрицы. Суть матричного
синтеза проста: исходные молекулы ДНК и РНК являются матрицами, рядом с которыми
строятся соответствующие макромолекулы, и «считывание» информации также
происходит матричным способом, так что матрица как чертеж для исполнения (синтеза)
— это изобретение природы, название же потом придумал человек. В молекулярной
биологии эти представления широко используются, и, например, С.Э. Шноль считает, что
выживают матричные элементы, способные к быстрому размножению. Можно сказать,
что и сама жизнь — это матричное копирование с последующей самосборкой копий.
Рис. 13.3. Основные этапы процесса передачи генетической информации.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
226
378
13.4.5. Отличия белков и нуклеиновых кислот
Молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК образуют линейные последовательности,
а молекулы белка представляют собой трехмерные конструкции. Может быть, это
связано с тем, что в молекулах нуклеиновых кислот основания соединены слабой
водородной химической связью и как бы уже предрасположены к изменчивости, в то
время как молекулы белка — сильной ковалентной связью, обеспечивающей
стабильность и устойчивость его структуры. Кроме того, благодаря хиральности
органических молекул живых организмов, отраженной в их оптической активности и
способности поворачивать плоскость поляризации, молекулы нуклеиновых кислот ДНК и
РНК образуют правую пространственную так называемую D-конфигурацию, а молекулы
белка — левую L-конфигурацию.
Пока науке достоверно не известна причина именно такой хиральности белков и
нуклеиновых кислот. Однако глубокое различие белковых и нуклеиновых макромолекул
в структуре и функциональности позволяет предположить, что они не могли появиться
одновременно в ходе химической эволюции и потому маловероятно их сосуществование
в протобиологической системе. Экспериментально установлено, что полимеры хирально
нечистого состава медленнее растут, менее прочны и быстрее разрушаются, чем хирально
чистые. Может быть, в этом также проявляется стабильность и устойчивость жизни.
Обобщая, можно сказать, что обеспечивают молекулы ДНК и РНК информационное
взаимодействие, а материальную энергетическую структуру жизни составляют белки.
Мутации какого-либо гена в ДНК приводят к сбою генетической программы и через
кодирование могут изменить белки. В результате этого может произойти перестройка
части передаваемой информации или даже ее потеря. Хотя природа предусмотрела,
чтобы (для здорового консерватизма!) мутации были достаточно редкими, они очень
важны для эволюции как начальный источник генетической изменчивости. Жизнь в этом
смысле зависит от точности передачи информации.
В целом под изменчивостью понимают способность живых организмов приобретать
новые признаки и свойства. Она обусловлена взаимосвязью организма с внешней средой.
При этом
379
давно уже было замечено, что по наследству передаются только признаки,
закрепленные в наследственной изменчивости, а ненаследственная, или
модификационная, изменчивость лишь дает возможность организму приспособиться к
окружающей среде. Такие приобретенные каждым организмом признаки не наследуются.
Изменения фенотипа не сказываются на нуклеотидных последовательностях ДНК. Это
похоже на житейскую ситуацию, когда брюнетка перекрашивается в блондинку: фенотип
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
227
меняется, а генотип — нет. В молекулярной генетике это объясняется тем, что процесс
передачи наследственной информации идет только от ДНК через РНК к белкам и никогда
наоборот.
13.4.6. Новый механизм передачи наследственной информации и
прионные болезни
В последние годы работами российских (С.Г. Инге-Вечтомов, М.Д. Тер-Аванесян) и
американских (С. Прузинер, Р. Викнер) биохимиков и ряда других ученых был
установлен новый принцип передачи наследственной информации без участия молекул
ДНК. Это явление было обнаружено в связи с генными болезнями «коровьего
бешенства», Крейцфельдта-Якоби у человека, скрейпи у овец и др. Смертельно опасная
болезнь Крейцфельдта-Якоби разрушает центральную нервную систему. Мозг
пострадавших людей при употреблении ими мяса коров, болеющих «коровьим
бешенством», становится пористым, как сыр или губка. Отсюда еще одно название этой
болезни — губчатый энцефалит. Белковые возбудители этих болезней, поражающие
нервную систему и мозг, названы прионами
1
.
С. Прузинер, обнаруживший новый тип инфекции — прионную — и получивший
Нобелевскую премию по медицине за 1997 г., установил, что абсолютно одинаковые по
химическому составу прионные белки могут находиться в разных пространственных
формах. Образное сравнение между ними можно представить в виде сырого и вареного
белка обычного куриного яйца. Обычный белок хорошо растворяется и выполняет
1
Термин «прион» возник как модифицированное сокращение от английского
Protonacions Infection — белковая инфекция.
380
свойственную ему функцию. Аномальный белок, имеющий другую пространственную
конфигурацию, в противоположность нормальному свертывается, образует агрегаты,
которые слипаются.
Уникальным свойством прионов оказалось то, что аномальный белок, сталкиваясь с
нормальным, переводит его в свою аномальную форму. В этом суть прионной инфекции
— «больной» белок заражает «здоровый», который, накапливаясь, заполняет клетки
мозга, препятствует их работе. Исследования, проведенные с дрожжевым геном SUP 35,
показали сходство такого белка с прионами, и была обнаружена передача информации от
одного типа белка к другому без участия ДНК. Аномальный белок, образованный из
нормального, способен передавать свою форму другому нормальному белку
непосредственно. Вот такой механизм передачи наследственной информации (о
пространственном строении белка) и был назван белковой наследственностью.
Как было отмечено М.Д. Тер-Аванесяном, здесь информация передается не через
гены, которые закодированы линейной последовательностью нуклеотидов, а
непосредственно в трехмерной структурной форме. Предполагается, что прионные белки
участвуют в формировании долговременной памяти, и тогда белковая наследственность,
возможно, связана с функциональной деятельностью мозга и также с болезнями
Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, которые обусловлены белками, способными
образовывать подобные агрегаты как у аномальных белков. Также установлено, что
болезни «коровьего бешенства» и Крейцфельда-Якоби имеют общую прионную природу.
Это означает, что мясо или молоко от бешеной коровы действительно может стать
смертельным для человека.
В связи с рассмотренным в общих чертах механизмом реализации генетической
информации возникает вопрос: почему она записана именно в такой последовательности
нуклеотидов четырех типов А, Т, Г, Ц, которые в виде оснований входят в ДНК.
Предполагается, что это связано с тем, что они состоят из гигантских образований
макромолекул. Высокополимерные цепи нуклеиновых кислот насчитывают до миллиона
аминокислотных остатков. Такой гигантизм делает их чрезвычайно способными к
381
кооперативным, когерентным формам поведения типа неравновесных фазовых
переходов. Можно сказать, что организм допускает только те компоненты, которые
способны участвовать в таких кооперативных процессах. Частичная утрата высокой
кооперативной индивидуальности у организма определяет переход его в менее
устойчивое состояние.
Таким образом, мы видим, что объяснение процессов в молекулярной генетике —
постановка и решение проблемы генетического кода, раскрытие молекулярной природы
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
228
наследственности и изменчивости (мутаций) — может быть сведено к квантово-
механической трактовке и применению теории самоорганизующихся сложных систем.
Как отмечал М.В. Волькенштейн, «истинное истолкование биологических явлений
является атомно-молекулярным» [45].
В заключение заметим, что на основании молекулярной генетики можно сделать
общий вывод — мы несем в себе информацию не только о наших умерших предках, но и
обо всей живой природе. Вся природа как бы заключена в нас. Как только генетическая
информация стала воспроизводимой, возникла Жизнь. Заметим все же, что несмотря на
физико-химическое объяснение механизма передачи информации и воспроизведения
органических «живых» молекул, пока создать только физическими методами живое не
удается.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое информационные молекулы наследственности?
2. Дайте определение понятия генетического кода.
3. В чем проявляется сходство квантовой физики и теории наследственности?
4. Дайте определения понятии генотипа и фенотипа. В чем их различие?
5. Расскажите о механизме действия генотипа?
6. Каковы основные понятия и представления генетики?
7. Что такое ген и хромосома?
8. Какие функции выполняют молекулы ДНК, РНК и белков?
9. Как образуются и действуют мутации?
10. В чем заключается матричный принцип синтеза биомакромолекул?
11. Что такое молекулярная биология, генетика и эволюция?
12. Что такое репликация, транскрипция и трансляция в процессах передачи
наследственной информации?
13. Передаются ли по наследству приобретенные признаки? Почему?
ЛИТЕРАТУРА
8, 9, 12, 14, 15, 26, 45, 116, 120, 136, 146.
Глава 14. ФИЗИЧЕСКОЕ ПОНИМАНИЕ ЭВОЛЮЦИОННОГО И
ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ
Организмы. существуют не столько благодаря внешней среде, сколько вопреки ей.
В.Я. Александров
Отличить живое от неживого легче всего на рынке: за живую и дохлую
лошадь дают разную цену.
Б.М. Медников
14.1. Онтогенез и филогенез. Онтогенетический и популяционный
уровни организации жизни
Применяя идеи системного анализа к пониманию жизнедеятельности биологических
структур, мы убедились, что развитие сложной самоорганизующейся открытой
целостной системы живого организма происходит в соответствии с иерархией уровней
его организации. Закономерные изменения на каждом уровне составляют его эволюцию.
Особенности процессов на двух начальных уровнях — клеточном и молекулярно-
генетическом были рассмотрены в гл. 13. Остановимся теперь на двух следующих более
высоких по иерархии уровнях организации — организменном (онтогенетическом) и
популяционно-видовом.
Элементарной единицей организменного уровня является особь, которую можно
рассматривать в эволюции от момента ее зарождения до прекращения существования в
качестве живого организма, что позволяет его назвать и онтогенетическим уровнем. В
связи с эволюцией отдельных особей и вида или типа одинаковых особей были введены
термины онтогенез и филогенез. По существу появление, развитие и смерть отдельных
особей, т.е. их жизнь, и есть онтогенез Филогенез — это историческое развитие
организмов, их совокупности для различных типов, классов, отрядов, семейств, родов и
видов в биологической классификации. В этом смысле филогенез можно рассматривать
как элементарное явление на популяционном уровне.
14.1.1. Закон Геккеля для онтогенеза и филогенеза
Термин «онтогенез» был введен в 1866 г. немецким биологом Э. Геккелем (1834—
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
229
1919). Он считал, что сходство зародышей живых организмов имеет эволюционную
сущность, и, построив
383
первое так называемое «родословное дерево» животного мира, установил, что по мере
развития зародыша во всех позвоночных происходят изменения от признаков рыбы,
амфибии, рептилии, птицы или млекопитающего в зависимости от своего вида. С одной
стороны, это указывает на наличие общего предка (если у организма в эмбриональном
периоде образуются зачатки, из которых потом не будут развиваться функциональные
органы, то их тоже связывают с остатками структур общего предка). С другой стороны,
адаптация к иным условиям окружающей среды и образу жизни изменяет дальнейший
ход развития как отдельных особей, так и их совокупности — популяции.
Геккелем был сформулирован закон, отражающий это обстоятельство:
«Онтогенез повторяет филогенез», т.е. те стадии, через которые проходит
организм любой живой особи в процессе своего развития, повторяют эволюционную
историю того вида, к которому эта особь относится.
Можно сказать, что особенности живых организмов определяется их историчностью
— каждый организм развивается онтогенетически и несет в себе память о
филогенетическом эволюционном развитии. И онтогенез, и филогенез идут в
направлении возрастающей сложности, и в процессе эволюции живого организма
возникает и запоминается новая информация, ценность которой возрастает.
Следовательно, организм является результатом филогенетического эволюционного
развития и сам проходит путь онтогенетического развития.
14.1.2. Онтогенетический уровень жизни
Онтогенетический уровень организации жизни на Земле обусловлен
жизнедеятельностью отдельных особей, дискретных индивидов. И на данном уровне
единицей жизни уже выступает сама особь. Легко увидеть и здесь определенную
аналогию с физико-химическим строением материи, где в качестве элементарных ее
единиц на разных уровнях выступают элементарные частицы, атомы, молекулы, их
образования — макромолекулы, другие их конструкции, отдельные вещества, тела и т.д.
Кроме того, здесь при построении живого организма из своих наименьших частей —
клеток можно использовать понятия целого и части. На своем организменном уровне
особь выступает как целое!
1
1
См. сноску на с. 212.
384
H.H. Моисеевым развит для биологических структур синергетический принцип
Пригожина—Гленсдорфа: «Живая система, ее составляющие видоизменяются,
самоорганизуются, так что используют потребляемую извне энергию наиболее
оптимальным способом» [94, 95]. Применение этого принципа к онтогенезу и
филогенезу снимает внешнее противоречие между термодинамикой и биологической
эволюцией. «Биологическое структурирование» в онтогенезе связано с поведением
диссипативных структур в неравновесной термодинамике.
Онтогенез обусловлен деятельностью некоторой саморегулирующейся иерархической
системы, когерентно (согласованно) реализующей наследственные признаки и свойства в
процессе жизнедеятельности в пределах отдельной особи. В ходе онтогенеза и
реализации наследственной информации в конкретных условиях внешней среды
формируется фенотип организмов данного биологического вида. Однако для онтогенеза
неясным является, в частности, такой вопрос: почему в онтогенезе строго определенные
процессы происходят в должное время и в должном месте?
14.1.3. Популяции и популяционно-видовой уровень живого
Особи в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены следующим
более высоким уровнем биологической организации — популяционно-видовым. Такое
выделение и рассмотрение жизни на этом уровне связано с объединением отдельных
особей в популяции. Популяция является совокупностью особей всех представителей
определенного вида живых организмов, занимающих какую-то область территории в
одно и то же время. Она может обосновываться в данной области при наличии
подходящего для нее климата, питательных веществ и источника энергии и составляет
часть пищевой цепи существующих в этой области сообществ других живых организмов.
Сами популяции целостны, хотя и состоят из множества особей. Они расположены на
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
230
определенной территории, взаимодействуют между собой, скрещиваются, как говорят
биологи, но относительно изолированы от других видов. Поскольку внутри популяции и
вне ее происходят взаимодействия, то ее можно считать открытой системой. Зная
механизмы поведения популя-
385
ции, можно выявить эволюцию живых систем. Целостность популяции как раз и
обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссозданием генетического
материала через обмен в процессе полового размножения. Отметим, что достоинством
полового размножения является повышение видового разнообразия, резкое увеличение
темпов эволюции и приспособления к окружающей среде.
В этом смысле популяция представляет собой открытую генетическую систему, а
отбор необходимых ценных признаков при взаимодействии друг с другом и окружающей
средой обусловливает появление новых свойств и особенностей в популяции, отличных
от свойств на клеточном молекулярно-генетическом и онтогенетическом уровнях.
Действие элементарных эволюционных факторов приводит к изменению генетического
фонда популяции, которое может характеризоваться как элементарное явление на данном
уровне.
Можно считать, что популяция — это «разработанный» самой природой способ
существования и выживания особей определенного типа. Функции популяции состоят в
том, чтобы расти, развиваться и поддерживать в изменчивых условиях свое
функционирование. Отдельные индивидуальные особи меняются, а сама популяция
сохраняется. Ферхюльстом установлены некоторые закономерности развития популяций:
• биологический потенциал популяции зависит от скорости ее роста;
• биологический потенциал определяется отношением скорости роста к числовому
значению популяции;
• сопротивление биологической среды росту популяции определяется отношением
уменьшения популяции к квадрату численности популяции.
Таким образом, популяция выступает как самоорганизующаяся система, которая
обладает способностью не только саморазвития, но и наследования. Виды могут
рассматриваться как системы популяций (сами популяции выступают на популяционно-
видовом уровне в виде элементарных, далее неразложимых эволюционных единиц), в
которых есть как внутрипопуляционный обмен и скрещивание особей, так и
генетический обмен между популяциями.
386
14.2. Физическое представление эволюции
Стимулирующее действие хорошей гипотезы прямо пропорционально ее
необоснованности.
В. Я. Александров
Как жаль, что мы живем недостаточно долго, .чтобы пользоваться уроками своих
ошибок
Ж. де Лабрюйер
14.2.1. Синтетическая теория эволюции
Раскрытие генетического кода и установление закономерностей молекулярной
биологии показало необходимость соединения современной генетики и дарвиновской
теории эволюции. Так родилась новая биологическая парадигма — синтетическая теория
эволюции (СТЭ), которую можно рассматривать уже как неклассическую биологию.
Хотя до настоящего времени не создана физическая модель эволюции в СТЭ, но так же,
как в целом в физике живого (и как мы неоднократно это обсуждали), могут быть
использованы синергетические идеи развития сложных самоорганизующихся систем и
квантовые принципы. В частности, в активизации процессов самоорганизации и
усложнении структуры живого организма состоит суть его эволюции. Причем эта
самоорганизация в биологических объектах происходит с непревзойденными точностью,
эффективностью и скоростью и тем самым является характеристикой эволюции живой
природы.
Основные идеи эволюции Ч. Дарвина с его триадой — наследственностью,
изменчивостью, естественным отбором — в современном понимании эволюции живого
мира дополняются представлениями не просто естественного отбора, а такого отбора,
который детерминирован генетически. Началом разработки синтетической, или общей,