Рибосомы, на которых идёт синтез белка, самоорганизуются. Есть такой фермент альдалаза: если её подкислить, то она диссоциирует на две нефункциональные части. Если её до нейтральной pH довести, скажем, до 7, то они опять реассоциируются. Они помнят о том, как они были когда-то соединены. Причём, эти реакции очень специфичны.
Нативные гемоглобины ассоциируются только от того животного, от которого они произошли.
Теперь я хотел бы немножко поговорить об эстафетном принципе эволюции. Прежде, чем появился гелий, был водород… И даже можно раньше начать. Прежде, чем появилась молекула, был атом. Дальше я перейду сразу к живому, не буду дальше развивать эту мысль. Сначала появился химический элемент, потом молекула, потом комплексы молекул, потом межмолекулярные комплексы, мембраны, различные органеллы, как я уже говорил, рибосомы – даже частицы вируса подвержены самоорганизации. Но всё это происходит, как вы видите, эстафетно. Сначала простая форма организации, на её базе строятся следующие формы и так далее. Сначала рыба, потом амфибия, амфибии предшествуют рептилиям, а рептилии предшествуют птицам и млекопитающим. То есть имеется некий процесс, в котором обязательным условием для возникновения следующей сложной организации является предшествующая ей менее сложная организация.
А.Г. То есть, грубо говоря, не изобретается сначала велосипед, а потом мотоцикл. Сначала велосипед, потом велосипед с моторчиком, потом велосипед с гораздо более сильным моторчиком. И уж только потом…
М.К. В последнее время молекулярные биологи у многих организмов секвенировали геномы – это последовательность нуклеотидных оснований ДНК. И это позволило выявить, что организмы, далеко отстоящие друг от друга систематически, как например, человек и мышь, имеют до 95% одинаковых генов. Раньше в это вообще бы никто бы не поверил. Из этого видно, что эволюция имеет необратимый эстафетный характер.
М.Л. Это тоже рассматривать как пример специфической самоорганизации – постепенной, в меняющихся условиях. Я тут повторю Славу: в меняющихся условиях живая система по принципу физико-химических процессов, протекающих в ней, формирует обратные связи, которые именно и дают приспособление к условиям и закрепляют некие новые признаки. А поскольку все эти системы нелинейные и неравновесные, это возможно. И где-то происходит насыщение подобного процесса, вступают в действие обратные связи другого знака, идёт закрепление. Это может идти на уровне химическом, физико-химическом, на уровне уже более крупномасшатбном. В конце концов, ведь нельзя говорить о том, что появившееся новое живое – новый вид, скажем – что он будет сам по себе жить. Новый вид будет жить в условиях реального мира, среди других живых существ, где идёт борьба за выживание – хотя это и не определяет всё. Определять всё будут вот эти цепочки обратных связей.
М.К. Относительно борьбы за существование, я вам должен сказать, что эволюция идёт в экосистемах. И одним из самых талантливых, я бы так сказал, энергичных учёных, развивающих эту идею (она возникла значительно раньше, у Вернадского; Берг говорил ещё об этом), является академик Заварзин. Он считает, и это, по-моему, совершенно верно, что отношения в экосистемах преимущественно кооперативное. Именно поэтому существует организм и поэтому существует система.
А в качестве простого примера можно привести, скажем, синтез кислорода растениями, который используют млекопитающие, и выдыхание углекислого газа, который используют растения. Достаточно отключить какую-то систему, и вся эта экосистема может рухнуть. Значит, это отношение всё-таки кооперативное, и это объясняет существование в экосистемах, на Земле и очень примитивных организмов, очень древних (сине-зелёные водоросли до сих пор можно найти), и высоко продвинутых, таких, как человек, скажем. То есть эти организмы занимают соответствующие экологические ниши, и они могут существовать только вместе, раздельно они не могут существовать. Поэтому обязательное условие существования отдельного индивидуума – соответствие системе.
Что интересно, и в социологии это проявляется. Вот пророки крупных религий, и Магомет, и Христос, они не соответствовали по своим взглядам системам, и они вначале подвергались гонению. Значит, когда что-то не соответствует, тогда начинает работать естественный отбор. То есть естественный отбор, на мой взгляд (может быть не абсолютно, но в большинстве случаев), играет консервативную роль в эволюции.
М.Л. Стабилизирующую роль.
М.К. Он стрижёт, как говорится, то, что выросло, он придавливает. Вот что можно сказать о гетерогенных системах.
А.Г. Но стрижёт, простите, признаки и прогрессивные, и регрессивные?
М.К. Да, да – и прогрессивные, и регрессивные. Так что побеждает не сильнейший, а побеждает соответствующий. Когда мы наблюдаем, скажем, ритуальные бои за самку у птиц или у млекопитающих, часто это интерпретируется так, что побеждает сильнейший. Но на самом деле побеждает соответствующий взглядам самки на то, каким должен быть самец её вида. Понимаете, он должен себя вести типично, так, чтобы самка сказала: «Да, вот это голубь». Не канарейка или какой-то другой вид птицы. То есть эти ритуальные бои подтверждают его самость, его принадлежность к этому виду.
А.Г. Всё-таки, если можно, в нескольких словах об эволюции неживой материи. Потому что с живой материей всё более-менее понятно. Но если жизнь и нежизнь развивается по одним и тем же законам, то мы должны находить следы эволюции неживой материи не в первые три минуты существования Вселенной, а до сегодняшнего дня.
М.К. Я могу ответить на этот вопрос?
М.Л. Ради Бога. А я добавлю.
М.К. Дело в том, что, во-первых, стартовые условия на Земле в известной мере определили эволюцию. Одна из основных гипотез происхождения Земли та, что после взрыва сверхновой газовые облака и остатки сверхновой в результате вращения сформировали Солнечную систему, в центре которой звезда и вокруг неё вращаются планеты. Так вот в планету Земля случайно попали 20 химических элементов, которые необходимы для построения жизни. Кроме того, сформировалась определённая плотность этой планеты и её…
А.Г. Удалённость от Солнца.
М.К. …её удалённость от Солнца. Вот эти условия позволили сформироваться жизни. Таких условий на других планетах Солнечной системы нет, и пока мы там жизни достоверно не находим. Мы её ищем и очень тщательно, но пока ничего не получается.
Так вот, в первые, ранние периоды образования Земли химические элементы, которые в неё вошли, начали «развиваться» сами собой, автоматически, с обратными связями – хотя это не живая система. Из неорганических элементов под влиянием солнечной энергии и энергии тепла Земли начали появляться органические молекулы. Появились все аминокислоты, появились все нуклеотидные основания, появились сахара, липиды, то есть те кирпичики, из которых составляется жизнь.
И вот в данном случае я бы хотел перейти, может быть, к более интересному…
А.Г. Нет, вы не спешите. Мы только подошли к самому интересному. Хорошо, в результате самоорганизации, самоусложнения живой материи возник набор органических веществ. А как они-то самоорганизовались?
М.К. Этот процесс длился около миллиарда лет. Предполагается, что на основе тех механизмов, о которых мы говорили, начали формироваться комплексы молекул, мембраны, органеллы, клетки. Я хочу сказать на эту тему следующее. Здесь присутствует всё-таки редукционный подход. Мы говорим о частях и потом пытаемся их соединить. Живая система, как она функционирует?
Здесь я ещё раз возвращаюсь к тому, о чём мы говорили. Илья Романович Пригожин, физик, в 47-м предложил теорию, а в 77-м только ему за это дали Нобелевскую премию – 30 лет ждал почти. Он сделал то великое открытие, что в неравновесных системах происходит усложнение и как следствие – самоорганизация, потому что неравновесные системы стремятся к самоорганизации. Таким образом, движущим механизмом самоорганизации, или организации живого, является именно то, что эти системы неравновесны. А неравновесны они потому, что Вселенная неравновесна.
А.Г. Но тут ещё один вопрос. Существуют новейшие теории, которые говорят, что 70 процентов материи, которая существует – это физический вакуум, а ещё 27 процентов, как я услышал от астрофизиков – это тёмные материи, или тёмные энергии. И только 1 процент – это наблюдаемый нами мир, то есть звёзды и так далее. И одна миллиардная, неисчислимо малая доля процента – это живое вещество. Всё-таки, если говорить о неживом веществе в масштабах Вселенной, каков эволюционный путь этого вещества? Вы мне рассказали, как формировалась жизнь на Земле и почему это можно считать эволюцией неживой природы, её дальнейшей самоорганизацией и так далее. А всё остальное, вся остальная масса вещества во Вселенной, как она эволюционирует?
М.К. Жизнь можно рассматривать как естественный процесс эволюции материи…
М.Л. Сначала отойдём немножко от жизни в сторону неживой материи. Допустим, мы забудем о начальных нескольких минутах – сначала всё это однородно расширялось, а потом появились неустойчивости. И сначала появляются отдельные фрагменты материи. И там шли, насколько я понимаю, с большой эффективностью реакции антианнигиляции, излучение превращалось в вещество. Это вещество разлеталось сначала с огромными скоростями, постепенно скорости замедлялись, формировались мощные гравитационные силы. И вещество фрагментами образовывало протогалактики. Наступила тёмная эпоха. Излучение было микроволновым, оптического света не было, и эта тёмная эпоха длилась много миллионов лет.
Из протогалактик образовались первые звёзды. Они были очень яркие, они были очень большие, больше Солнца в сотни раз по диаметру. Они привели к сильной ионизации окружающего молекулярного газа. Я, конечно, опускаю целый ряд моментов. И всё это послужило началом того этапа расширения Вселенной, который длится до сих пор. Потом из протогалактик получились звёзды, а потом звёздные системы – галактики, а далее – скопления галактик. Это всё можно наблюдать, это достижения оптической и радиоастрономии, среди которых следует упомянуть открытый Хабблом важный закон разбегания галактик, который лежит в основании теории Большого взрыва и подтверждает модель расширения Вселенной из первоначальной сингулярности.
Вопрос в другом: и что дальше? Но прежде: не что дальше, а что внутри всего этого дела? Уже ясно, и мы сегодня немножко касались этого, что химические элементы формировались в недрах звёзд где-то уже спустя миллионы лет после взрыва. Из данных астрономии, которые сейчас позволяют ретроспективно «уйти» на несколько миллиардов лет назад, видно обеднение спектра излучения далёких объектов – количество химических элементов было меньше, чем сейчас. Но ведь вещество действительно составляет очень малую часть Вселенной. Всё остальное – тёмная материя: это элементарные частицы, но тут много дискуссионного, неоткрытого до конца. А вот дальше, если мы будем говорить о структуре галактик, эволюция которых прослежена и неплохо, то там можно выделить отдельные звёздные системы. Теперь уже известно, что существуют планетарные системы не горячие, некие тела больших размеров, которые не коллапсируют, у которых температура не несколько тысяч градусов – это была версия, – а гораздо меньше, и где возможны условия для других процессов. Так вот что это такое? Мы видим уже новые агрегатные состояния вещества, есть образования не просто газов, а конденсированых сред: жидких, твёрдых. Они принимают определённую форму, которая определяется динамикой их движения, и если у них есть атмосфера – газовая оболочка вокруг них – то формы получаются более гладкие, сглаженные.
Бурная история Земли, которая тоже неплохо изучена, говорит о том, что сначала это была горячая планета (но не сверхгорячая, как звезда), и там была бурная тектоническая деятельность, менялся химический состав атмосферы, менялось содержание разных элементов в ней, которые были захвачены на предыдущей стадии.
Вот эволюция неживой материи. От отдельных атомов к молекулам, к изменению агрегатного состояния, к образованию «огромных» форм из этих агрегатных состояний гидросферы, атмосферы, суши. Плюс взаимодействие с очень сложными процессами изменений климата, я уже не говорю о погоде. Плюс учёт природы, как огромной системы, как того, что изучают науки о земле. С учётом различных полей, которые влияют на наши условия, – это электромагнитные взаимодействия и гравитационные. Всё остальное находится гораздо более компактно. Так вот это эволюция неживой материи.
Я думаю, тут можно поставить и точку, конечно, если говорить о том, что нынешнее состояние довольно протяженно во времени – и будет протяжённым. И это существенный момент.
М.К. Позвольте мне, а то сейчас время закончится. Надо нам всё-таки сказать о том, что формирование жизни – это естественный процесс эволюции материи. И везде во Вселенной, где имеются соответствующие условия, может существовать жизнь. То есть, Земля – это не единственное космическое обитаемое тело. Не единственное. И если учесть, что во Вселенной имеется около десяти в одиннадцатой степени звёзд, которые могут иметь планетные системы, то вероятность таких условий, как на Земле, повышается. И ещё я хотел бы обратить внимание на то, что и неживая, и живая природа обладают модульным принципом построения.
М.Л. Я согласен.
М.К. Сейчас особенно большие успехи делает генетика. Показано, что эволюция идёт не в результате точечных мутаций изменения гена, а модулями, как в архитектуре. Вы можете из кирпича построить и простую хижину, и дворец, и храм. И вот из этих генов можно построить любой – ну, не любой, а разные организмы.
М.Л. И вот тут важно проследить переход от того, что мы знаем о неживой материи, к живой. В чём он заключается? Тут ответа нет пока, это сложный вопрос.
М.К. Потому что чёткого перехода нет.
М.Л. Конечно. Но вместе с тем он позволяет определить некие формы переходные, которые, с одной стороны, по своей структуре, атомному составу, могут быть отнесены скорее к неживой природе, но которые приобретают новые функции, которые могут их отличать от обычной неживой природы в дальнейшем развитии, самоорганизации.
М.К. Всё-таки эволюция квантована, хотя ты, по-моему, с этим не очень согласен? Поэтому есть индивидуумы, есть отдельные виды, есть мужчины, есть дети – это всё кванты жизни. Поэтому переходные формы, о которых ты сказал, мы не наблюдаем. Нет переходных форм между живым и неживым.
А.Г. Но мы и эволюцию не наблюдаем. Мы наблюдаем только историю эволюции.
М.Л. Это могло совершиться когда-то.
М.К. В общем-то есть некоторые наблюдения по формированию новых видов, но они очень скромные, сейчас о них говорить, по-видимому, не стоит.
М.Л. Конечно. Дело в том, что и существование науки, которая позволяет всё это проследить, – это ничтожная искорка. Такой ничтожный момент времени, что тут вопросов можно задать много, и даже задать их ещё надо уметь. Поэтому вот путь, который мы считаем очень перспективным: первое – и в неживой, и в живой природе происходит усложнение. Второе – очень существенны процессы самоорганизации, которые и могли быть тем переходным мостиком, который преодолел этот разрыв.
И где-то должны были быть, конечно, качественные скачки…
Возникновение биологической информации
Участник:
Дмитрий Чернавский – доктор физико-математических наук
Александр Гордон: Доброй ночи! Феномен возникновения живого входит в явное и, я бы сказал, яркое противоречие с теорией вероятности – не только феномен возникновения, но и биологической эволюции. Принято считать, что вероятность возникновения жизни приблизительно равна вероятности самосборки самого современного «Боинга» из деталей, которые валяются на свалке. Но так ли неодолимы эти противоречия между теорией вероятности и возникшей всё-таки жизнью?
Дмитрий Чернавский: Проблема возникновения жизни волновала давно, и она состоит из нескольких этапов. Каждый этап был в своё время проблематичен.
Первая проблема. Как возникли необходимые органические молекулы? Эта проблема решена химиками и физиками. Нужно представить себе обстановку в предбиологический период. Обстановка была крайне, так сказать, термодинамически неравновесной. Там «беспрерывно гром гремел, во мраке молния сверкала», вулканы извергались. Ну и в результате образовались органические молекулы. Проблема решена была.
Вторая проблема. Образовались молекулы, но их мало, а нужно, чтобы они были сконцентрированы. Вот эту проблему фактически решил Опарин в 20-х годах прошлого столетия. Он показал, что действительно органические молекулы типа липидов и аминокислот могут собираться в капли. Он назвал это коацерватами. И проблема была решена.
Третья проблема. Хорошо, аминокислоты собираются, нуклеотиды собираются, но в жизни-то полинуклеотиды – они длинные. Как они могли образовываться сами в предбиологический период? Проблема решена была Фоксом и Егами. Показано было, что могли они образовываться, но, разумеется, случайные. И тут возникла четвёртая проблема.
Проблема в следующем. Биологические полимеры – они же не случайные. Они содержат информацию. Напомню, что основными полимерами являются ДНК или РНК – они хранители информации, в них последовательность несёт эту информацию. А рабочими телами являются белки. Известно, что в современной биосфере нуклеотиды кодируют белки – ко-ди-ру-ют. Что это значит? Это значит, что в соответствии с последовательностью нуклеотидов образуется последовательность белков, каждая тройка нуклеотидов – кодон – кодирует или соответствует одной аминокислоте и получается, таким образом, заданная последовательность белка. Затем она сворачивается и, в зависимости от последовательности, получается тот или иной белок, с той или иной функцией.
Какие белки должны быть, чтобы работали? Большие. Они должны содержать примерно 200 аминокислот. Следовательно, полинуклеотид должен содержать примерно 600 аминокислот – определённой последовательности. Давайте посчитаем, а сколько вообще может быть вариантов последовательности? Очень просто. Нуклеотидов всего четыре – 600 цепочек. Соответственно, число вариантов – четыре в шестисотой степени. Или два в тысяча двухсотой. Или десять в четырехсотой степени. Вот это число, вы о нём говорили, это число является круциальным. Вероятность, что соберётся какой-то определённый полинуклеотид – соответственно, единица, делённая на десять в сороковой. Число попыток за всё время существования Земли и во всех лужах – примерно десять в тридцатой. Вот сравните. Десять в тридцатой и десять в четырехсотой.
А.Г. Явное противоречие, не может быть такого.
Д.Ч. Просто помножим одно на другое, получим вероятность десять в минус 360-ой. Это число абсурдно мало. Соответственно, и число вариантов тоже мало. Никогда столько вариантов мы не переберём. Даже специальное название «гугол» введено.
Нужно сказать, что все остальные числа, которые есть в физике, они существенно отличаются от этого. Например, чисто атомов во всей Вселенной – порядка десять в пятидесятой – в пятидесятой! Вот в этом суть проблемы – десять в минус четырехсотой. Можно сделать этот показатель вдвое меньше, всё равно абсурд.
Как к этому относятся? По-разному. Химики (не все химики, естественно) считают, что можно собрать – они умеют собрать – полинуклеотид в заданной последовательности из трех, четырех, пяти. «Умеем из пяти, соберём двести». То есть, это качественное различие не осознаётся.
Математики: «Вероятность мала, ну и что? Жизнь уникальна, событие одно. К одному событию вероятность неприменима. Это случилось, живём, слава Богу, и…»
Биологи. Вот биологи чувствуют это. И приходят к выводу: Бог создал жизнь. Может ли быть здесь решение этой проблемы? Вот об этом и пойдёт речь.
Сразу должен предупредить, что речь пойдёт о дискуссионной проблеме. Мы с Ниной Михайловной (она сейчас, к сожалению, заболела, не смогла прийти) примерно тридцать лет тому назад занялись этой проблемой. И она сейчас на том же месте. Я сразу должен предупредить, что обычно учёные говорят о том, как «наука семимильными шагами движется вперёд», и это, естественно, так приятно. Но я буду говорить о том, как наука семимильными шагами топчется на месте. Но, тем не менее, решение возможно. Какое это решение и как можно представить себе, что такое «кодирует» и что такое «катализирует». Нужно задуматься, что такое «кодирует». В современной биосфере процесс кодирования хорошо изучен. Если можно, первую схему.
А.Г. Сейчас дадут.
Д.Ч. Схема проста. В ней главное – последовательность ДНК. С неё снимается реплика. Я уверен, что это не раз обсуждалось у вас, поэтому я кратко очень скажу. С неё снимается реплика, потом поступает транспортная РНК к системе адаптеров. Что такое адаптеры? Адаптеры – это самое интересное и важное место здесь. Адаптеры, их всего 64, это белки, которые умеют присоединять нужную кислоту к РНК, нагруженной нужным кодоном. Адаптеры знают алфавит – код. Сами они белки, сами они по той же схеме образуются.
Но вот после того как адаптеры нагрузили транспортную РНК, она подходит к рибосоме, к рибосоме же подходят мессенжер РНК. И там происходит трансляция, то есть по коду, последовательности нуклеотидов собирается последовательность белка. Вот что значит «кодирует». Приведу аналогию.
Вот завод. Как он работает? Нужно изготовить деталь. Есть чертёж, инструкция. В инструкции сказано, причём, на определённом языке сказано, где нужно дырочку просверлить, какую там форму сделать и так далее, потом всё это реализуется и получается деталь. Вот что такое «кодирует».
Говорят, что белки катализируют. Что такое «катализируют»? Это я лучше поясню чуть попозже, а перед этим давайте представим себе, как мог образоваться самый простой живой организм. Что он должен содержать? Во-первых, последовательность ДНК. Во-вторых, белок, который бы способствовал её редупликации. Такой организм из двух всего компонентов может размножаться, причём так, что последовательность при этом сохраняется. И может – но вопрос: а как белок действует? Это более-менее известно.
Белок (в данном случае, белок репликаза, тот самый, который способствует редупликации) представляет собою нечто вроде подковы или чехла, который обволакивает. Можно следующий слайд?
Вот здесь изображена простейшая схема простейшего организма или гиперцикла, как Ейген его назвал. В этом гиперцикле содержатся четыре нуклеотида и четыре белка. Нуклеотиды кодируют белки, а белки катализируют образование ДНК. В простейшем случае – их всего два. Один кодирует, а другой катализирует, но что катализирует? Репликацию катализирует. Следующий слайд, если можно.
Как это можно себе представить? Вот здесь это схематически изображено. Белок, он, как видите, как подкова. Он обволакивает ДНК. Затем, при изменении температуры РНК или при гидролизе АТФ он немножко деформируется, разрывает внутренние связи, и на эти связи налипают комплементарные нуклеотиды: к аденину присоединяется тимин, к гуанину – цитозин, и наоборот. Налипают в соответствии с определённым порядком и получаются две последовательности. Важно, что на самом деле сама последовательность – внутри ДНК, внутри спирали, а внешняя сторона спирали – это фосфатные группы, которые слабо отражают, но отражают всё-таки. Вот как он катализирует.
А теперь представим себе: а может ли образоваться в первичном белке репликаза без информации, по принципу «катализирует», а не «кодирует»? Может. Для этого допустим, вполне, так сказать, реалистично, что аминокислоты сперва адсорбируются на ДНК. Неважно, в какой последовательности, пусть образовалась случайная последовательность. Эта вероятность случайной последовательности – единица. Они налипают, так сказать, на это, образуют подкову. И после этого происходит замыкание связи, то есть уже образование полипептида. Такой слепок уже может обладать каталитическими свойствами. Как он образуется, по какому принципу? По принципу кодирования? Нет. Он образовывался по принципу гетерогенного катализа. То есть, форма была главной здесь. Форма ДНК.
А.Г. При этом не важно, какую информацию она несёт и отличается ли эта информация от шума.
Д.Ч. Да, была ли информация неценной.
Вот здесь немножко отступить хотелось бы и сказать, что проблема на самом деле – информационная. Под информацией я буду понимать далее по Кастлеру «запомненный выбор одного варианта из нескольких». Под ценной информацией – тот выбор, ту последовательность, которая способствует образованию белка, достижению цели. Ну а количество информации по Шеннону – это логарифм того самого числа, о котором мы говорили, числа вариантов.
Нативные гемоглобины ассоциируются только от того животного, от которого они произошли.
Теперь я хотел бы немножко поговорить об эстафетном принципе эволюции. Прежде, чем появился гелий, был водород… И даже можно раньше начать. Прежде, чем появилась молекула, был атом. Дальше я перейду сразу к живому, не буду дальше развивать эту мысль. Сначала появился химический элемент, потом молекула, потом комплексы молекул, потом межмолекулярные комплексы, мембраны, различные органеллы, как я уже говорил, рибосомы – даже частицы вируса подвержены самоорганизации. Но всё это происходит, как вы видите, эстафетно. Сначала простая форма организации, на её базе строятся следующие формы и так далее. Сначала рыба, потом амфибия, амфибии предшествуют рептилиям, а рептилии предшествуют птицам и млекопитающим. То есть имеется некий процесс, в котором обязательным условием для возникновения следующей сложной организации является предшествующая ей менее сложная организация.
А.Г. То есть, грубо говоря, не изобретается сначала велосипед, а потом мотоцикл. Сначала велосипед, потом велосипед с моторчиком, потом велосипед с гораздо более сильным моторчиком. И уж только потом…
М.К. В последнее время молекулярные биологи у многих организмов секвенировали геномы – это последовательность нуклеотидных оснований ДНК. И это позволило выявить, что организмы, далеко отстоящие друг от друга систематически, как например, человек и мышь, имеют до 95% одинаковых генов. Раньше в это вообще бы никто бы не поверил. Из этого видно, что эволюция имеет необратимый эстафетный характер.
М.Л. Это тоже рассматривать как пример специфической самоорганизации – постепенной, в меняющихся условиях. Я тут повторю Славу: в меняющихся условиях живая система по принципу физико-химических процессов, протекающих в ней, формирует обратные связи, которые именно и дают приспособление к условиям и закрепляют некие новые признаки. А поскольку все эти системы нелинейные и неравновесные, это возможно. И где-то происходит насыщение подобного процесса, вступают в действие обратные связи другого знака, идёт закрепление. Это может идти на уровне химическом, физико-химическом, на уровне уже более крупномасшатбном. В конце концов, ведь нельзя говорить о том, что появившееся новое живое – новый вид, скажем – что он будет сам по себе жить. Новый вид будет жить в условиях реального мира, среди других живых существ, где идёт борьба за выживание – хотя это и не определяет всё. Определять всё будут вот эти цепочки обратных связей.
М.К. Относительно борьбы за существование, я вам должен сказать, что эволюция идёт в экосистемах. И одним из самых талантливых, я бы так сказал, энергичных учёных, развивающих эту идею (она возникла значительно раньше, у Вернадского; Берг говорил ещё об этом), является академик Заварзин. Он считает, и это, по-моему, совершенно верно, что отношения в экосистемах преимущественно кооперативное. Именно поэтому существует организм и поэтому существует система.
А в качестве простого примера можно привести, скажем, синтез кислорода растениями, который используют млекопитающие, и выдыхание углекислого газа, который используют растения. Достаточно отключить какую-то систему, и вся эта экосистема может рухнуть. Значит, это отношение всё-таки кооперативное, и это объясняет существование в экосистемах, на Земле и очень примитивных организмов, очень древних (сине-зелёные водоросли до сих пор можно найти), и высоко продвинутых, таких, как человек, скажем. То есть эти организмы занимают соответствующие экологические ниши, и они могут существовать только вместе, раздельно они не могут существовать. Поэтому обязательное условие существования отдельного индивидуума – соответствие системе.
Что интересно, и в социологии это проявляется. Вот пророки крупных религий, и Магомет, и Христос, они не соответствовали по своим взглядам системам, и они вначале подвергались гонению. Значит, когда что-то не соответствует, тогда начинает работать естественный отбор. То есть естественный отбор, на мой взгляд (может быть не абсолютно, но в большинстве случаев), играет консервативную роль в эволюции.
М.Л. Стабилизирующую роль.
М.К. Он стрижёт, как говорится, то, что выросло, он придавливает. Вот что можно сказать о гетерогенных системах.
А.Г. Но стрижёт, простите, признаки и прогрессивные, и регрессивные?
М.К. Да, да – и прогрессивные, и регрессивные. Так что побеждает не сильнейший, а побеждает соответствующий. Когда мы наблюдаем, скажем, ритуальные бои за самку у птиц или у млекопитающих, часто это интерпретируется так, что побеждает сильнейший. Но на самом деле побеждает соответствующий взглядам самки на то, каким должен быть самец её вида. Понимаете, он должен себя вести типично, так, чтобы самка сказала: «Да, вот это голубь». Не канарейка или какой-то другой вид птицы. То есть эти ритуальные бои подтверждают его самость, его принадлежность к этому виду.
А.Г. Всё-таки, если можно, в нескольких словах об эволюции неживой материи. Потому что с живой материей всё более-менее понятно. Но если жизнь и нежизнь развивается по одним и тем же законам, то мы должны находить следы эволюции неживой материи не в первые три минуты существования Вселенной, а до сегодняшнего дня.
М.К. Я могу ответить на этот вопрос?
М.Л. Ради Бога. А я добавлю.
М.К. Дело в том, что, во-первых, стартовые условия на Земле в известной мере определили эволюцию. Одна из основных гипотез происхождения Земли та, что после взрыва сверхновой газовые облака и остатки сверхновой в результате вращения сформировали Солнечную систему, в центре которой звезда и вокруг неё вращаются планеты. Так вот в планету Земля случайно попали 20 химических элементов, которые необходимы для построения жизни. Кроме того, сформировалась определённая плотность этой планеты и её…
А.Г. Удалённость от Солнца.
М.К. …её удалённость от Солнца. Вот эти условия позволили сформироваться жизни. Таких условий на других планетах Солнечной системы нет, и пока мы там жизни достоверно не находим. Мы её ищем и очень тщательно, но пока ничего не получается.
Так вот, в первые, ранние периоды образования Земли химические элементы, которые в неё вошли, начали «развиваться» сами собой, автоматически, с обратными связями – хотя это не живая система. Из неорганических элементов под влиянием солнечной энергии и энергии тепла Земли начали появляться органические молекулы. Появились все аминокислоты, появились все нуклеотидные основания, появились сахара, липиды, то есть те кирпичики, из которых составляется жизнь.
И вот в данном случае я бы хотел перейти, может быть, к более интересному…
А.Г. Нет, вы не спешите. Мы только подошли к самому интересному. Хорошо, в результате самоорганизации, самоусложнения живой материи возник набор органических веществ. А как они-то самоорганизовались?
М.К. Этот процесс длился около миллиарда лет. Предполагается, что на основе тех механизмов, о которых мы говорили, начали формироваться комплексы молекул, мембраны, органеллы, клетки. Я хочу сказать на эту тему следующее. Здесь присутствует всё-таки редукционный подход. Мы говорим о частях и потом пытаемся их соединить. Живая система, как она функционирует?
Здесь я ещё раз возвращаюсь к тому, о чём мы говорили. Илья Романович Пригожин, физик, в 47-м предложил теорию, а в 77-м только ему за это дали Нобелевскую премию – 30 лет ждал почти. Он сделал то великое открытие, что в неравновесных системах происходит усложнение и как следствие – самоорганизация, потому что неравновесные системы стремятся к самоорганизации. Таким образом, движущим механизмом самоорганизации, или организации живого, является именно то, что эти системы неравновесны. А неравновесны они потому, что Вселенная неравновесна.
А.Г. Но тут ещё один вопрос. Существуют новейшие теории, которые говорят, что 70 процентов материи, которая существует – это физический вакуум, а ещё 27 процентов, как я услышал от астрофизиков – это тёмные материи, или тёмные энергии. И только 1 процент – это наблюдаемый нами мир, то есть звёзды и так далее. И одна миллиардная, неисчислимо малая доля процента – это живое вещество. Всё-таки, если говорить о неживом веществе в масштабах Вселенной, каков эволюционный путь этого вещества? Вы мне рассказали, как формировалась жизнь на Земле и почему это можно считать эволюцией неживой природы, её дальнейшей самоорганизацией и так далее. А всё остальное, вся остальная масса вещества во Вселенной, как она эволюционирует?
М.К. Жизнь можно рассматривать как естественный процесс эволюции материи…
М.Л. Сначала отойдём немножко от жизни в сторону неживой материи. Допустим, мы забудем о начальных нескольких минутах – сначала всё это однородно расширялось, а потом появились неустойчивости. И сначала появляются отдельные фрагменты материи. И там шли, насколько я понимаю, с большой эффективностью реакции антианнигиляции, излучение превращалось в вещество. Это вещество разлеталось сначала с огромными скоростями, постепенно скорости замедлялись, формировались мощные гравитационные силы. И вещество фрагментами образовывало протогалактики. Наступила тёмная эпоха. Излучение было микроволновым, оптического света не было, и эта тёмная эпоха длилась много миллионов лет.
Из протогалактик образовались первые звёзды. Они были очень яркие, они были очень большие, больше Солнца в сотни раз по диаметру. Они привели к сильной ионизации окружающего молекулярного газа. Я, конечно, опускаю целый ряд моментов. И всё это послужило началом того этапа расширения Вселенной, который длится до сих пор. Потом из протогалактик получились звёзды, а потом звёздные системы – галактики, а далее – скопления галактик. Это всё можно наблюдать, это достижения оптической и радиоастрономии, среди которых следует упомянуть открытый Хабблом важный закон разбегания галактик, который лежит в основании теории Большого взрыва и подтверждает модель расширения Вселенной из первоначальной сингулярности.
Вопрос в другом: и что дальше? Но прежде: не что дальше, а что внутри всего этого дела? Уже ясно, и мы сегодня немножко касались этого, что химические элементы формировались в недрах звёзд где-то уже спустя миллионы лет после взрыва. Из данных астрономии, которые сейчас позволяют ретроспективно «уйти» на несколько миллиардов лет назад, видно обеднение спектра излучения далёких объектов – количество химических элементов было меньше, чем сейчас. Но ведь вещество действительно составляет очень малую часть Вселенной. Всё остальное – тёмная материя: это элементарные частицы, но тут много дискуссионного, неоткрытого до конца. А вот дальше, если мы будем говорить о структуре галактик, эволюция которых прослежена и неплохо, то там можно выделить отдельные звёздные системы. Теперь уже известно, что существуют планетарные системы не горячие, некие тела больших размеров, которые не коллапсируют, у которых температура не несколько тысяч градусов – это была версия, – а гораздо меньше, и где возможны условия для других процессов. Так вот что это такое? Мы видим уже новые агрегатные состояния вещества, есть образования не просто газов, а конденсированых сред: жидких, твёрдых. Они принимают определённую форму, которая определяется динамикой их движения, и если у них есть атмосфера – газовая оболочка вокруг них – то формы получаются более гладкие, сглаженные.
Бурная история Земли, которая тоже неплохо изучена, говорит о том, что сначала это была горячая планета (но не сверхгорячая, как звезда), и там была бурная тектоническая деятельность, менялся химический состав атмосферы, менялось содержание разных элементов в ней, которые были захвачены на предыдущей стадии.
Вот эволюция неживой материи. От отдельных атомов к молекулам, к изменению агрегатного состояния, к образованию «огромных» форм из этих агрегатных состояний гидросферы, атмосферы, суши. Плюс взаимодействие с очень сложными процессами изменений климата, я уже не говорю о погоде. Плюс учёт природы, как огромной системы, как того, что изучают науки о земле. С учётом различных полей, которые влияют на наши условия, – это электромагнитные взаимодействия и гравитационные. Всё остальное находится гораздо более компактно. Так вот это эволюция неживой материи.
Я думаю, тут можно поставить и точку, конечно, если говорить о том, что нынешнее состояние довольно протяженно во времени – и будет протяжённым. И это существенный момент.
М.К. Позвольте мне, а то сейчас время закончится. Надо нам всё-таки сказать о том, что формирование жизни – это естественный процесс эволюции материи. И везде во Вселенной, где имеются соответствующие условия, может существовать жизнь. То есть, Земля – это не единственное космическое обитаемое тело. Не единственное. И если учесть, что во Вселенной имеется около десяти в одиннадцатой степени звёзд, которые могут иметь планетные системы, то вероятность таких условий, как на Земле, повышается. И ещё я хотел бы обратить внимание на то, что и неживая, и живая природа обладают модульным принципом построения.
М.Л. Я согласен.
М.К. Сейчас особенно большие успехи делает генетика. Показано, что эволюция идёт не в результате точечных мутаций изменения гена, а модулями, как в архитектуре. Вы можете из кирпича построить и простую хижину, и дворец, и храм. И вот из этих генов можно построить любой – ну, не любой, а разные организмы.
М.Л. И вот тут важно проследить переход от того, что мы знаем о неживой материи, к живой. В чём он заключается? Тут ответа нет пока, это сложный вопрос.
М.К. Потому что чёткого перехода нет.
М.Л. Конечно. Но вместе с тем он позволяет определить некие формы переходные, которые, с одной стороны, по своей структуре, атомному составу, могут быть отнесены скорее к неживой природе, но которые приобретают новые функции, которые могут их отличать от обычной неживой природы в дальнейшем развитии, самоорганизации.
М.К. Всё-таки эволюция квантована, хотя ты, по-моему, с этим не очень согласен? Поэтому есть индивидуумы, есть отдельные виды, есть мужчины, есть дети – это всё кванты жизни. Поэтому переходные формы, о которых ты сказал, мы не наблюдаем. Нет переходных форм между живым и неживым.
А.Г. Но мы и эволюцию не наблюдаем. Мы наблюдаем только историю эволюции.
М.Л. Это могло совершиться когда-то.
М.К. В общем-то есть некоторые наблюдения по формированию новых видов, но они очень скромные, сейчас о них говорить, по-видимому, не стоит.
М.Л. Конечно. Дело в том, что и существование науки, которая позволяет всё это проследить, – это ничтожная искорка. Такой ничтожный момент времени, что тут вопросов можно задать много, и даже задать их ещё надо уметь. Поэтому вот путь, который мы считаем очень перспективным: первое – и в неживой, и в живой природе происходит усложнение. Второе – очень существенны процессы самоорганизации, которые и могли быть тем переходным мостиком, который преодолел этот разрыв.
И где-то должны были быть, конечно, качественные скачки…
Возникновение биологической информации
22.05.03
(хр.00:43:34)
Участник:
Дмитрий Чернавский – доктор физико-математических наук
Александр Гордон: Доброй ночи! Феномен возникновения живого входит в явное и, я бы сказал, яркое противоречие с теорией вероятности – не только феномен возникновения, но и биологической эволюции. Принято считать, что вероятность возникновения жизни приблизительно равна вероятности самосборки самого современного «Боинга» из деталей, которые валяются на свалке. Но так ли неодолимы эти противоречия между теорией вероятности и возникшей всё-таки жизнью?
Дмитрий Чернавский: Проблема возникновения жизни волновала давно, и она состоит из нескольких этапов. Каждый этап был в своё время проблематичен.
Первая проблема. Как возникли необходимые органические молекулы? Эта проблема решена химиками и физиками. Нужно представить себе обстановку в предбиологический период. Обстановка была крайне, так сказать, термодинамически неравновесной. Там «беспрерывно гром гремел, во мраке молния сверкала», вулканы извергались. Ну и в результате образовались органические молекулы. Проблема решена была.
Вторая проблема. Образовались молекулы, но их мало, а нужно, чтобы они были сконцентрированы. Вот эту проблему фактически решил Опарин в 20-х годах прошлого столетия. Он показал, что действительно органические молекулы типа липидов и аминокислот могут собираться в капли. Он назвал это коацерватами. И проблема была решена.
Третья проблема. Хорошо, аминокислоты собираются, нуклеотиды собираются, но в жизни-то полинуклеотиды – они длинные. Как они могли образовываться сами в предбиологический период? Проблема решена была Фоксом и Егами. Показано было, что могли они образовываться, но, разумеется, случайные. И тут возникла четвёртая проблема.
Проблема в следующем. Биологические полимеры – они же не случайные. Они содержат информацию. Напомню, что основными полимерами являются ДНК или РНК – они хранители информации, в них последовательность несёт эту информацию. А рабочими телами являются белки. Известно, что в современной биосфере нуклеотиды кодируют белки – ко-ди-ру-ют. Что это значит? Это значит, что в соответствии с последовательностью нуклеотидов образуется последовательность белков, каждая тройка нуклеотидов – кодон – кодирует или соответствует одной аминокислоте и получается, таким образом, заданная последовательность белка. Затем она сворачивается и, в зависимости от последовательности, получается тот или иной белок, с той или иной функцией.
Какие белки должны быть, чтобы работали? Большие. Они должны содержать примерно 200 аминокислот. Следовательно, полинуклеотид должен содержать примерно 600 аминокислот – определённой последовательности. Давайте посчитаем, а сколько вообще может быть вариантов последовательности? Очень просто. Нуклеотидов всего четыре – 600 цепочек. Соответственно, число вариантов – четыре в шестисотой степени. Или два в тысяча двухсотой. Или десять в четырехсотой степени. Вот это число, вы о нём говорили, это число является круциальным. Вероятность, что соберётся какой-то определённый полинуклеотид – соответственно, единица, делённая на десять в сороковой. Число попыток за всё время существования Земли и во всех лужах – примерно десять в тридцатой. Вот сравните. Десять в тридцатой и десять в четырехсотой.
А.Г. Явное противоречие, не может быть такого.
Д.Ч. Просто помножим одно на другое, получим вероятность десять в минус 360-ой. Это число абсурдно мало. Соответственно, и число вариантов тоже мало. Никогда столько вариантов мы не переберём. Даже специальное название «гугол» введено.
Нужно сказать, что все остальные числа, которые есть в физике, они существенно отличаются от этого. Например, чисто атомов во всей Вселенной – порядка десять в пятидесятой – в пятидесятой! Вот в этом суть проблемы – десять в минус четырехсотой. Можно сделать этот показатель вдвое меньше, всё равно абсурд.
Как к этому относятся? По-разному. Химики (не все химики, естественно) считают, что можно собрать – они умеют собрать – полинуклеотид в заданной последовательности из трех, четырех, пяти. «Умеем из пяти, соберём двести». То есть, это качественное различие не осознаётся.
Математики: «Вероятность мала, ну и что? Жизнь уникальна, событие одно. К одному событию вероятность неприменима. Это случилось, живём, слава Богу, и…»
Биологи. Вот биологи чувствуют это. И приходят к выводу: Бог создал жизнь. Может ли быть здесь решение этой проблемы? Вот об этом и пойдёт речь.
Сразу должен предупредить, что речь пойдёт о дискуссионной проблеме. Мы с Ниной Михайловной (она сейчас, к сожалению, заболела, не смогла прийти) примерно тридцать лет тому назад занялись этой проблемой. И она сейчас на том же месте. Я сразу должен предупредить, что обычно учёные говорят о том, как «наука семимильными шагами движется вперёд», и это, естественно, так приятно. Но я буду говорить о том, как наука семимильными шагами топчется на месте. Но, тем не менее, решение возможно. Какое это решение и как можно представить себе, что такое «кодирует» и что такое «катализирует». Нужно задуматься, что такое «кодирует». В современной биосфере процесс кодирования хорошо изучен. Если можно, первую схему.
А.Г. Сейчас дадут.
Д.Ч. Схема проста. В ней главное – последовательность ДНК. С неё снимается реплика. Я уверен, что это не раз обсуждалось у вас, поэтому я кратко очень скажу. С неё снимается реплика, потом поступает транспортная РНК к системе адаптеров. Что такое адаптеры? Адаптеры – это самое интересное и важное место здесь. Адаптеры, их всего 64, это белки, которые умеют присоединять нужную кислоту к РНК, нагруженной нужным кодоном. Адаптеры знают алфавит – код. Сами они белки, сами они по той же схеме образуются.
Но вот после того как адаптеры нагрузили транспортную РНК, она подходит к рибосоме, к рибосоме же подходят мессенжер РНК. И там происходит трансляция, то есть по коду, последовательности нуклеотидов собирается последовательность белка. Вот что значит «кодирует». Приведу аналогию.
Вот завод. Как он работает? Нужно изготовить деталь. Есть чертёж, инструкция. В инструкции сказано, причём, на определённом языке сказано, где нужно дырочку просверлить, какую там форму сделать и так далее, потом всё это реализуется и получается деталь. Вот что такое «кодирует».
Говорят, что белки катализируют. Что такое «катализируют»? Это я лучше поясню чуть попозже, а перед этим давайте представим себе, как мог образоваться самый простой живой организм. Что он должен содержать? Во-первых, последовательность ДНК. Во-вторых, белок, который бы способствовал её редупликации. Такой организм из двух всего компонентов может размножаться, причём так, что последовательность при этом сохраняется. И может – но вопрос: а как белок действует? Это более-менее известно.
Белок (в данном случае, белок репликаза, тот самый, который способствует редупликации) представляет собою нечто вроде подковы или чехла, который обволакивает. Можно следующий слайд?
Вот здесь изображена простейшая схема простейшего организма или гиперцикла, как Ейген его назвал. В этом гиперцикле содержатся четыре нуклеотида и четыре белка. Нуклеотиды кодируют белки, а белки катализируют образование ДНК. В простейшем случае – их всего два. Один кодирует, а другой катализирует, но что катализирует? Репликацию катализирует. Следующий слайд, если можно.
Как это можно себе представить? Вот здесь это схематически изображено. Белок, он, как видите, как подкова. Он обволакивает ДНК. Затем, при изменении температуры РНК или при гидролизе АТФ он немножко деформируется, разрывает внутренние связи, и на эти связи налипают комплементарные нуклеотиды: к аденину присоединяется тимин, к гуанину – цитозин, и наоборот. Налипают в соответствии с определённым порядком и получаются две последовательности. Важно, что на самом деле сама последовательность – внутри ДНК, внутри спирали, а внешняя сторона спирали – это фосфатные группы, которые слабо отражают, но отражают всё-таки. Вот как он катализирует.
А теперь представим себе: а может ли образоваться в первичном белке репликаза без информации, по принципу «катализирует», а не «кодирует»? Может. Для этого допустим, вполне, так сказать, реалистично, что аминокислоты сперва адсорбируются на ДНК. Неважно, в какой последовательности, пусть образовалась случайная последовательность. Эта вероятность случайной последовательности – единица. Они налипают, так сказать, на это, образуют подкову. И после этого происходит замыкание связи, то есть уже образование полипептида. Такой слепок уже может обладать каталитическими свойствами. Как он образуется, по какому принципу? По принципу кодирования? Нет. Он образовывался по принципу гетерогенного катализа. То есть, форма была главной здесь. Форма ДНК.
А.Г. При этом не важно, какую информацию она несёт и отличается ли эта информация от шума.
Д.Ч. Да, была ли информация неценной.
Вот здесь немножко отступить хотелось бы и сказать, что проблема на самом деле – информационная. Под информацией я буду понимать далее по Кастлеру «запомненный выбор одного варианта из нескольких». Под ценной информацией – тот выбор, ту последовательность, которая способствует образованию белка, достижению цели. Ну а количество информации по Шеннону – это логарифм того самого числа, о котором мы говорили, числа вариантов.